Investigation of optical and imaging characteristics of fluorescent screens for use in digital imaging detectors suitable for telemedicine

Abstract

Indirect detection digital imaging systems used in medical imaging, compromises powder phosphor scintillators as X-ray to light converters. Powder phosphors should combine image quality and light output parameters in order to produce high quality diagnostic images, with the parallel dose reduction to the patient. Additionally, they must be characterized by short decay times in order to be used in digital breast tomosynthesis (DBT) and dual energy imaging (DE). The aim of the present PhD thesis is the investigation of the optimum powder phosphor scintillator for use in a CMOS based digital imaging system and the investigation of the combination of the digital imaging system with the optimum scintillator for low energy medical applications, like DBT. Scintillating screens, were prepared using the method of sedimentation, by Lu₂SiO₅:Ce, Gd₂O₂S:Eu and Gd₂O₂S:Tb powder phosphors. Their properties were evaluated by experimentally determining parameters related to optical signal intensity and distribution at the scintillator exit surface, characterizing medical image quality and the patient’s dose. By comparing the luminescence efficiency and image quality properties of Lu₂SiO₅:Ce, Gd₂O₂S:Eu and Gd₂O₂S:Tb, the scintillating screen with the optimum characteristics was defined and placed, in close contact with the CMOS photodiode. MTF and DQE of our CMOS sensor were found better at the whole spatial frequency range with previously published data for a passive CMOS sensor, while NNPS was comparable. The evaluated CMOS sensor is characterized by high spatial resolution and detection efficiency properties that make it suitable for DBT. Additionally, image quality is acceptable at low exposure levels, which is crucial in DBT and DE applications where high patient’s dose is a drawback for the establishment of these methods.

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 (DBT) και απεικόνισης διπλής ενέργειας (DE). Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής ήταν η διερεύνηση των βέλτιστων υλικών φωσφόρων σπινθηριστών για χρήση σε ολοκληρωμένο ψηφιακό απεικονιστικό σύστημα τύπου CMOS καθώς και η διερεύνηση των χαρακτηριστικών του συστήματος ψηφιακού ανιχνευτή/βέλτιστου σπινθηριστή για ιατρικές εφαρμογές χαμηλών ενεργειών, όπως η DBT. Παρασκευάστηκαν, με τη μέθοδο της καθίζησης, φθορίζουσες οθόνες από υλικά σπινθηριστών όπως τα Lu₂SiO₅:Ce, Gd₂O₂S:Eu και Gd₂O₂S:Tb. Οι ιδιότητες τους μελετήθηκαν αξιολογώντας πειραματικά παραμέτρους οι οποίες εκφράζουν την ένταση και την κατανομή του παραγόμενου σήματος στην έξοδο του ανιχνευτή και σχετίζονται άμεσα με την ποιότητα της ιατρικής εικόνας αλλά και με τη δόση στον εξεταζόμενο. Στον ανιχνευτή τοποθετήθηκε, σε άμεση επαφή με τις φωτοδιόδους CMOS, φθορίζουσα οθόνη Gd₂O₂S:Tb, η οποία προσδιορίστηκε μέσω της σύγκρισης των ανωτέρω υλικών σε απόδοση φωταύγειας και ποιότητα εικόνας. Η απόδοση του CMOS ήταν καλύτερη εν συγκρίσει με δημοσιευμένα αποτελέσματα για αισθητήρα PPS CMOS, σε όλο το εύρος των χωρικών συχνοτήτων. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι ο υπό εξέταση ανιχνευτής τύπου CMOS έχει υψηλή διακριτική ικανότητα και ανιχνευτική αποδοτικότητα, κρατώντας παράλληλα χαμηλά επίπεδα θορύβου καθιστώντας τoν κατάλληλο για χρήση σε πρότυπο σύστημα (DBT). Επιπλέον βρέθηκε ότι η ποιότητα εικόνας δεν υποβαθμίζεται σε χαμηλά επίπεδα έκθεσης, στοιχείο που είναι σημαντικό για εφαρμογές (DBT) και (DE), όπου η αυξημένη δόση στον εξεταζόμενο είναι ανασταλτικός παράγοντας για τη καθιέρωση και ευρεία αποδοχή των συγκεκριμένων μεθόδων.