از مبانی فیزیکی تابش تا کاربردهای پیشرفته در تصویربرداری پزشکی

چکیده

• پرتو ایکس زمانی تولید می شود که الکترون های پرسرعت به هدف آند برخورد کنند. طیف آن از تابش مشخصه و تابش ترمزی تشکیل می شود.
• تضعیف پرتو در بدن بیمار نتیجه پراکندگی کلاسیک، پراکندگی کامپتون و جذب فوتوالکتریک است.
• آشکارساز فلت پنل از یک ماتریس فعال با پیکسل های ترانزیستور لایه نازک (Thin-Film Transistor | TFT) ساخته می شود و در دو نوع تبدیل مستقیم و تبدیل غیرمستقیم وجود دارد.
• خوانش بار الکتریکی، تصحیح فلت فیلد و پردازش تصویر، داده خام را به تصویر قابل تفسیر تبدیل می کنند.
• این آشکارساز در رادیوگرافی عمومی، توموگرافی کامپیوتری پرتو مخروطی (Cone-Beam CT | CBCT) و آزمون غیرمخرب (Non-Destructive Testing | NDT) کاربرد دارد. در توموگرافی کامپیوتری (CT) مارپیچی چندردیفه و تصویربرداری دینامیک پرسرعت محدودیت هایی دارد.

مقدمه

آشکارساز فلت پنل (Flat Panel Detector | FPD) پرتو ایکس را با آرایه ای از پیکسل های کنترل شده الکتریکی به سیگنال دیجیتال تبدیل می کند. این فناوری در رادیوگرافی دیجیتال (Digital Radiography | DR) در بسیاری از کاربردها جای فیلم های سنتی و رادیوگرافی کامپیوتری (Computed Radiography | CR) را گرفته است. برای فهمیدن نحوه کار آن باید ابتدا تولید پرتو ایکس و برهم کنش آن با ماده را بشناسیم. این مقاله از مبانی فیزیکی تابش شروع می کند و به ساختار، انواع، خوانش، پردازش تصویر، کیفیت تصویر و کاربردهای آشکارساز فلت پنل می رسد.

1. مبانی فیزیکی تابش پرتو ایکس

برای فهمیدن کار آشکارساز فلت پنل باید با تولید پرتو ایکس، برهم کنش آن با ماده و مفهوم تضعیف آشنا باشیم. این مبانی پیش نیاز درک فرایندهایی هستند که درون آشکارساز رخ می دهند.

تولید پرتو ایکس

پرتو ایکس زمانی تولید می شود که الکترون های پرسرعت به یک هدف برخورد کنند. در تصویربرداری پرتو ایکس، این اتفاق در تیوب پرتو ایکس رخ می دهد. اجزای اصلی تیوب شامل مجموعه کاتد و مجموعه آند است.

دو نوع تیوب پرتو ایکس وجود دارد: آند ثابت و آند چرخان. تیوب های آند چرخان دو اندازه فوکال اسپات (Focal Spot) دارند، بزرگ و کوچک. فوکال اسپات کوچک به تولید تصاویر واضح کمک می کند و فوکال اسپات بزرگ برای بیماران بزرگ تر و معاینه های پیچیده تر استفاده می شود.

” برای مشاهده جزئیات بیشتر، روی تصویر کلیک کنید. “

تابش مشخصه

تابش مشخصه زمانی تولید می شود که الکترون های پرسرعت فیلامان با الکترون های لایه داخلی اتم های هدف آند برهم کنش کنند. اگر انرژی الکترون فرودی از انرژی پیوند الکترون لایه داخلی بیشتر باشد، آن الکترون از اتم جدا می شود و جای خالی ایجاد می شود.

الکترونی از سطح انرژی بالاتر این جای خالی را پر می کند و هنگام پایین آمدن، انرژی اضافی را به شکل یک فوتون پرتو ایکس آزاد می کند. این پدیده تابش مشخصه نام دارد. پرتو ایکس مشخصه در رادیوگرافی بافت نرم، مثل ماموگرافی پرتو ایکس، بهترین کاربرد را دارد.

تابش ترمزی (Bremsstrahlung)

تابش ترمزی زمانی رخ می دهد که یک الکترون پرسرعت با میدان هسته اتم های هدف برهم کنش می کند و در این فرایند کند می شود. محدوده انرژی این تابش گسترده است. همین ویژگی برای تصویربرداری از بیشتر اعضای بدن در تصویربرداری تشخیصی پرتو ایکس مفید است.

تضعیف پرتو ایکس

تضعیف، کاهش شدت پرتو ایکس هنگام عبور از بیمار است و نتیجه برهم کنش فوتون های پرتو ایکس با بافت های بیمار است. برای فهمیدن تضعیف باید سه پارامتر را بشناسیم: ضریب تضعیف خطی، ضریب تضعیف جرمی و لایه نیم مقدار.

” برای مشاهده جزئیات بیشتر، روی تصویر کلیک کنید. “

برهم کنش پرتو ایکس تشخیصی با ماده

وقتی پرتو ایکس به بیمار می تابد، برخی فوتون ها جذب می شوند، برخی پراکنده می شوند و برخی از بیمار عبور می کنند و به گیرنده تصویر می رسند تا تصویر ساخته شود. سه برهم کنش در تصویربرداری تشخیصی اهمیت دارند: پراکندگی کلاسیک، پراکندگی کامپتون و جذب فوتوالکتریک.

” برای مشاهده جزئیات بیشتر، روی تصویر کلیک کنید. “

2. سازوکار آشکارساز فلت پنل: اجزا، خوانش و پردازش تصویر

چرا آشکارساز فلت پنل مطرح شد؟

رادیوگرافی کامپیوتری (CR) محدودیت هایی دارد: بازده تشخیص پایین تر، وضوح فضایی (رزولوشن مکانی | Spatial Resolution) کمتر و صفحات تصویربرداری (Imaging Plate | IP) که با افتادن تصادفی آسیب می بینند، ترک می خورند یا خراش برمی دارند. این محدودیت ها انگیزه توسعه آشکارساز های دیجیتال فلت پنل برای رادیوگرافی دیجیتال شدند.

اجزای سامانه رادیوگرافی دیجیتال فلت پنل

سامانه رادیوگرافی دیجیتال فلت پنل (Flat-Panel Digital Radiography | FPDR) چهار جزء اصلی دارد: تیوب و ژنراتور پرتو ایکس، آشکارساز فلت پنل (FPD)، کامپیوتر میزبان و مانیتور نمایش تصویر. کامپیوتر میزبان و مانیتور بخشی از ایستگاه کاری FPDR هستند.

کامپیوتر میزبان ارتباط اپراتور را با تیوب، ژنراتور و سایر اجزا برقرار می کند و با FPD هم تعامل دارد. برای مثال، تولید پرتو ایکس و خوانش سیگنال را همین کامپیوتر کنترل می کند. این کامپیوتر در پردازش تصویر، مثل تصحیح تصویر و بهینه سازی نمایش، نقش عمده ای دارد.

” برای مشاهده جزئیات بیشتر، روی تصویر کلیک کنید. “

آشکارساز فلت پنل و ماتریس فعال

FPD یک واحد منفرد و نازک است. این واحد شامل آشکارساز ماتریس فعال (Active Matrix Array) و الکترونیک مرتبط با آن است: پیش تقویت کننده ها، کنترل سوئیچینگ، مدارهای منطقی مرکزی، مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC) و حافظه داخلی.
آشکارساز ماتریس فعال تابش عبوری از بیمار را در حین تصویربرداری تشخیص می دهد. همچنین سیگنال الکترونیکی خروجی آشکارساز را دیجیتالی می کند.

FPD در اندازه های مختلفی برای بدن هایی با اندازه های متفاوت موجود است. ابعاد رایج آن ۴۳ × ۴۳، ۳۰ × ۴۰ و ۱۸ × ۱۸ سانتی متر است. اندازه ماتریس فعال هم با اندازه آشکارساز تغییر می کند.

اندازه های رایج ماتریس فعال عبارت اند از ۱۹۲۰ × ۱۵۳۶، ۲۰۰۰ × ۲۵۰۰، ۲۷۳۶ × ۲۷۳۶، ۲۵۶۰ × ۳۰۷۲، ۲۶۸۸ × ۲۶۸۸، ۲۸۳۶ × ۲۳۳۶ و ۳۱۲۱ × ۳۱۲۱.

اندازه پیکسل و گام پیکسل (Pixel Pitch)، یعنی فاصله نقطه میانی یک پیکسل تا نقطه میانی پیکسل مجاور، مشخصه های مهم ماتریس هستند، چون بر وضوح فضایی تصویر اثر می گذارند. تعداد پیکسل ها از ابعاد ماتریس به دست می آید؛ برای مثال ماتریس ۳۰۰۰ × ۳۰۰۰ برابر ۹٬۰۰۰٬۰۰۰ پیکسل دارد.

اندازه پیکسل از یک سازنده به سازنده دیگر فرق می کند. مقدارهای رایج آن ۲۰۰، ۱۶۷، ۱۶۰، ۱۴۳ و ۱۳۹ میکرومتر است.

ضریب پرشدگی (Fill Factor)

هر پیکسل ماتریس فعال از سه جزء الکترونیکی ساخته می شود: ترانزیستور لایه نازک (TFT)، خازن و ناحیه حس کننده تابش. از همین اجزا ضریب پرشدگی تعریف می شود. ضریب پرشدگی نسبت مساحت ناحیه حس کننده پیکسل به مساحت کل پیکسل است و می توان آن را به صورت درصد نوشت. برای مثال، ضریب پرشدگی ۸۰٪ یعنی ۲۰٪ مساحت پیکسل را الکترونیک آشکارساز اشغال کرده و ۸۰٪ ناحیه حس کننده است.

ضریب پرشدگی بر کیفیت تصویر آشکارساز اثر می گذارد؛ هم بر وضوح فضایی و هم بر وضوح کنتراست (Contrast Resolution) که به نسبت سیگنال به نویز (Signal-to-Noise Ratio | SNR) مربوط است. ضریب پرشدگی بالا نسبت به ضریب پرشدگی پایین، کیفیت تصویر بهتری می دهد.

فرایند خوانش (Readout)

پس از آنکه آشکارساز فوتون های پرتو ایکس را جذب و به بار الکتریکی تبدیل کرد، باید بار پیکسل ها به صورت سیستماتیک خوانده شود تا تصویر دیجیتال ساخته شود. خوانش هشت مرحله دارد:

1. ذخیره بار در پیکسل ها: وقتی پرتو ایکس به آشکارساز می رسد، در هر پیکسل باری متناسب با شدت تابش دریافتی تولید می شود. این بار در خازن ذخیره سازی همان پیکسل جمع می شود.
2. آماده سازی برای خوانش: پس از پایان مواجهه، خوانش شروع می شود. الکترونیک کنترل، سیگنال های لازم را به آرایه TFT می فرستد.
3. آدرس دهی سطرها: آرایه TFT مثل شبکه ای از سطر و ستون عمل می کند. درایور گیت (یا مالتی پلکسر سطر) سطرها را یکی یکی فعال می کند و با اعمال ولتاژ روشن به خط گیت هر سطر، تمام TFT های آن سطر روشن می شوند.
4. انتقال بار به خطوط داده: با روشن شدن TFT هر پیکسل در سطر فعال، بار ذخیره شده در خازن آن پیکسل از راه TFT به خط داده ستون مربوط می رود. بار همه پیکسل های یک سطر به صورت موازی منتقل می شود.
5. تقویت سیگنال: سیگنال های آنالوگ بسیار ضعیف اند. پیش تقویت کننده ها (Preamplifiers) در الکترونیک خوانش، آن ها را تقویت می کنند تا قابل پردازش شوند.
6. تبدیل آنالوگ به دیجیتال: مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) سیگنال های تقویت شده را به داده دیجیتال تبدیل می کند. دامنه دینامیکی ADC دست کم ۱۴ بیت (ترجیحاً ۱۶ بیت) است که دقت بالایی در تبدیل می دهد.
7. تکرار برای همه سطرها: مراحل ۳ تا ۶ برای همه سطرهای آرایه به صورت متوالی تکرار می شود. این کار به سرعت انجام می شود و تصویر در چند ثانیه آماده می شود.
8. ارسال داده به کامپیوتر میزبان: داده های دیجیتال به کامپیوتر میزبان فرستاده می شوند. این کامپیوتر پردازش تصویر، مثل تصحیح و بهینه سازی نمایش، را انجام می دهد.

پردازش تصویر

سامانه های تصویربرداری دیجیتال پرتو ایکس از پردازش تصویر دو هدف دارند: تصحیح داده های خام آشکارساز و بهینه سازی تصویری که برای تفسیر به ناظر نشان داده می شود. هدف اول، کاهش آرتیفکت ها، با پیش پردازش انجام می شود. هدف دوم، افزایش کنتراست و وضوح و کاهش نویز، با پس پردازش انجام می شود. داده خام پس از پیش پردازش، تصویر برای پردازش (For Processing) در قالب استاندارد Digital Imaging and Communications in Medicine است. پس پردازش این تصویر را به تصویر برای ارائه (For Presentation) تبدیل می کند.

پیش پردازش تصویر

ممکن است برخی عناصر آشکارساز فعال نباشند یا طبق انتظار کار نکنند. این مسئله آرتیفکت هایی مثل پیکسل های مرده یا معیوب و حتی یک ستون کامل پیکسل معیوب ایجاد می کند.

پیش پردازش این مشکل را با ابزار نرم افزاری تخصصی تصحیح فلت فیلد (Flat-Field Correction) برطرف می کند. این تصحیح بخش اجباری کالیبراسیون آشکارساز است و یکپارچگی عملکرد آن را تضمین می کند.

پس پردازش تصویر

دامنه وسیع مواجهه در آشکارساز دیجیتال، تصویر اولیه ای با کنتراست ضعیف می سازد. این تصویر همان تصویر برای پردازش است و برای مشاهده و تفسیر ارائه نمی شود. پس پردازش آن را به تصویر برای ارائه تبدیل می کند که رادیولوژیست می بیند.
مراحل رسیدن به تصویر «برای ارائه» عبارت اند از تشخیص و قطعه بندی مواجهه، تحلیل هیستوگرام، مقیاس بندی هیستوگرام و پردازش برای افزایش کنتراست. تصویر نمایش داده شده را می توان با فرکانس های فضایی بیشتر پس پردازش کرد تا جزئیات و وضوح بیشتر و نویز کمتر شود. فرکانس های بالا جزئیات ریز تصویر را دارند و فرکانس های پایین اطلاعات کنتراست را. فیلتر بالاگذر فرکانس های پایین را سرکوب می کند و تصویر را تیزتر می کند. فیلتر پایین گذر فرکانس های بالا را سرکوب می کند و تصویر را صاف تر می کند.

۳. کاربردهای واقعی آشکارساز فلت پنل

آشکارساز های فلت پنل به دلیل دقت بالا، سرعت تصویربرداری، قابلیت تصویربرداری بلادرنگ و توانایی تولید تصاویر دیجیتال باکیفیت، در کاربردهای گسترده ای استفاده می شوند.

کاربردهای پزشکی و بالینی

این آشکارساز در کاربردهای پزشکی زیر استفاده می شود:

• رادیوگرافی عمومی: رایج ترین کاربرد این آشکارساز رادیوگرافی عمومی است و برای تصویربرداری از قفسه سینه، استخوان ها، اندام ها و مفاصل استفاده می شود. در این کاربرد، مزیت هایی نسبت به سامانه های فیلم صفحه و سایر دستگاه های رادیوگرافی دیجیتال نشان داده است.
• ماموگرافی: آشکارساز های فلت پنل با وضوح بالا برای تشخیص دقیق بافت پستان استفاده می شوند. در ماموگرافی، آشکارساز های دولایه برای ماموگرافی کنتراست افزوده (Contrast-Enhanced Digital Mammography | CEDM) و توموسنتز دیجیتال پستان کنتراست افزوده (CEDBT) توسعه یافته اند تا ضایعات را دقیق تر تشخیص دهند.
• فلوروسکپی و آنژیوگرافی: این دو از کاربردهای دینامیک آشکارساز فلت پنل هستند. قابلیت تصویربرداری بلادرنگ، مشاهده حرکت های داخلی بدن و هدایت کاتترها در حین عمل را ممکن می کند.
• CBCT: دستگاه های CBCT مدرن با آشکارساز فلت پنل دیجیتال و منبع پرتو ایکس مخروطی ساخته می شوند. این سامانه ها در هدایت رادیوتراپی، جراحی هدایت شده با تصویر و تصویربرداری از اندام های انتهایی استفاده می شوند.
• CT حجمی (fpVCT): در این سامانه ها یک آشکارساز فلت پنل دوبعدی ۴۰ × ۳۰ سانتی متر به کار می رود.
• تصویربرداری دندانی: تیوب های پرتو ایکس آند ثابت در واحدهای فلوروسکپی دندانی با آشکارساز های فلت پنل کوچک ترکیب می شوند تا تصاویر دیجیتال باکیفیتی از دندان ها و فک بدهند.
• سامانه های قابل حمل (سیار): آشکارساز های فلت پنل بی سیم و سبک برای تصویربرداری در بالین بیمار یا بخش مراقبت های ویژه (ICU) مناسب اند.
• تصویربرداری اطفال: آشکارساز های فلت پنل با سوسوزن CsI برای تصویربرداری از بیماران اطفال استفاده می شوند. این آشکارساز ها به دلیل حساسیت بالا و امکان تصویربرداری با دوز کمتر، برای کودکان مناسب ترند.
• تصویربرداری مداخله ای: سامانه های C-Arm مدرن اغلب با CBCT مبتنی بر فلت پنل تجهیز می شوند. این کار تصویربرداری توموگرافی و حجمی با وضوح فضایی بالا از ابزارهای مداخله ای و عروق پرشده با ماده کنتراست یددار را ممکن می کند.

کاربردهای صنعتی (آزمون غیرمخرب)

در صنعت، آشکارساز فلت پنل برای بازرسی و کنترل کیفیت بدون آسیب رساندن به قطعه استفاده می شود:

• بازرسی قطعات الکترونیکی: تشخیص عیوب در بردهای مدار چاپی.
• صنایع هوافضا: بررسی ترک های داخلی و خوردگی در قطعات هواپیما.
• نفت، گاز و خطوط لوله: بازرسی خوردگی اتصالات لوله ها.
• صنایع غذایی: بررسی عیوب داخلی مواد نرم با پرتوی ایکس نرم.
• بازرسی میدانی: آشکارساز های فلت پنل قابل حمل با درجه حفاظت IP67.
• پرتونگاری صنعتی: بازرسی قطعات ریخته گری و جوش ها.

کاربردهای امنیتی و ایمنی

این آشکارساز در دو کاربرد امنیتی استفاده می شود:

• اسکن بار و چمدان در فرودگاه ها: شناسایی مواد ممنوعه و مواد منفجره.
• بازرسی افراد: اسکن و شناسایی اشیای پنهان روی بدن یا لباس.

کاربردهای علمی و تحقیقاتی

در پژوهش، این آشکارساز کاربردهای زیر را دارد:

• تصویربرداری علمی: تصویربرداری از نمونه های بیولوژیکی و مواد.
• کریستالوگرافی: تعیین ساختار مولکولی کریستال ها.

مزایا

آشکارساز فلت پنل این مزیت ها را دارد:

• کاهش دوز پرتو: حساسیت بالا می تواند تصویربرداری با دوز کمتر را ممکن کند.
• تصویربرداری بلادرنگ: تصویر تقریباً بلافاصله قابل مشاهده و تحلیل است.
• کیفیت تصویر بالا: دامنه دینامیکی بزرگ، حساسیت بالا و تصاویر بدون اعوجاج.
• قابلیت حمل: آشکارساز های سبک و بی سیم، بازرسی در محل را ممکن کرده اند.
• گردش کار بهتر: تصویر فوراً در دسترس است و پردازش فیلم لازم نیست.

محدودیت ها

آشکارساز فلت پنل در برخی کاربردها محدودیت دارد:

• CT مارپیچی چندردیفه (Multi-Detector CT | MDCT): به دلیل پاسخ کندتر سوسوزن CsI و بازده کوانتومی پایین تر، آشکارساز فلت پنل در CT استاندارد توصیه نمی شود.
• تصویربرداری دینامیک پرسرعت: وضوح زمانی محدود آشکارساز های CsI ممکن است در برخی کاربردهای دینامیک مشکل ایجاد کند.

نکات مهم و کاربردی

این نکته ها هنگام انتخاب و استفاده از آشکارساز فلت پنل مهم اند:

• ضریب پرشدگی و اندازه پیکسل را هنگام انتخاب آشکارساز در نظر بگیرید؛ هر دو بر وضوح و کیفیت تصویر اثر می گذارند.
• تصحیح فلت فیلد را بخش اجباری کالیبراسیون آشکارساز بدانید تا عملکرد آشکارساز یکپارچه بماند.
• تصویر برای پردازش برای تفسیر ارائه نمی شود؛ رادیولوژیست تصویر برای ارائه را می بیند.
• برای رادیوگرافی عمومی معمولاً سوسوزن GOS و برای تصویربرداری اطفال سوسوزن CsI به کار می رود.
• پیش از استفاده در CT مارپیچی چندردیفه یا تصویربرداری دینامیک پرسرعت، محدودیت های آشکارساز را بررسی کنید.

جمع بندی

آشکارساز فلت پنل پرتو ایکس عبوری از بیمار را با ماتریس فعال و پیکسل های TFT به بار الکتریکی و سپس به تصویر دیجیتال تبدیل می کند. این کار در دو نوع تبدیل غیرمستقیم (با سوسوزن) و تبدیل مستقیم (با فوتورسانا) انجام می شود. خوانش، تصحیح فلت فیلد و پردازش تصویر، داده خام را به تصویر قابل تفسیر تبدیل می کنند.

این آشکارساز از رادیوگرافی عمومی تا CBCT و آزمون غیرمخرب کاربرد دارد، اما در CT مارپیچی چندردیفه و تصویربرداری دینامیک پرسرعت محدودیت هایی دارد. اگر می خواهید درباره DQE، MTF، بهره (Gain) و افست (Offset) بیشتر بدانید، پست های واژه نامه پرتو ایکس را بخوانید.

پرسش های متداول

ضریب پرشدگی چیست؟

ضریب پرشدگی نسبت مساحت ناحیه حس کننده به مساحت کل پیکسل است. ضریب پرشدگی بالاتر، کیفیت تصویر بهتری می دهد.
چرا آشکارساز فلت پنل به جای رادیوگرافی کامپیوتری (CR) مطرح شد؟

CR محدودیت هایی مثل بازده تشخیص پایین تر، وضوح فضایی کمتر و آسیب پذیری صفحات تصویربرداری دارد. آشکارساز فلت پنل برای رفع این محدودیت ها توسعه یافت.

تصویر “برای پردازش” با تصویر “برای ارائه” چه فرقی دارد؟

تصویر برای پردازش داده پیش پردازش شده آشکارساز با کنتراست ضعیف است. تصویر برای ارائه پس از پس پردازش برای تفسیر رادیولوژیست آماده است.

آیا آشکارساز فلت پنل برای CT مارپیچی چندردیفه مناسب است؟

خیر، در CT استاندارد توصیه نمی شود. علت ها پاسخ کندتر سوسوزن CsI و بازده کوانتومی پایین تر است.

منابع

Euclid Seeram، X-Ray Imaging Systems for Biomedical Engineering Technology: An Essential Guide