Διερεύνηση οπτικών ιδιοτήτων οθονών νανοφωσφόρων και μελέτη των απεικονιστικών χαρακτηριστικών τους σε σύζευξη με ψηφιακό ανιχνευτή τύπου CMOS για εφαρμογές ιατρικής απεικόνισης

Abstract

Indirect digital X-ray detectors, such as Complementary Metal Oxide Semiconductors (CMOS) and Charged Coupled Devices (CCDs), coupled with scintillating screens are used for many applications in medical imaging, airport security, industrial quality control and high energy physics. The scintillating screens needs to fulfill characteristics, such as high density and high atomic number, to ensure efficient stopping power of ionizing radiation, but also high luminescence efficiency and low afterglow to ensure good energy resolution. The most traditionally used commercial scintillating materials are thallium doped cesium iodide (CsI:Tl), due to its high spatial resolution properties arising from columnar structure and terbium-doped gadolinium oxysulphide (Gd2O2S:Tb) due to its high X-ray absorption and light conversion efficiency. Furthermore many scintillators have been investigated for X-ray imaging applications, such as Gd2O2S:Eu, Gd2O2S:Pr,Ce,F, Lu2O3:Eu, Gd2O2S:Pr employed in granular phosphors screens, and LuPO4:Eu semitransparent thin films. Apart from the intrinsic properties of scintillating materials, the structural properties such as grain size and shape seems to influence the imaging quality in terms of light diffusion. Nanomaterials have gain ground as radiation detectors with potential to reduce dose received by the operators or patients (in case of medical imaging) due to the increased luminescence efficiency and confinement. On the other hand, the diffusion and propagation properties of light passing through nanoparticulated phosphors layers are still under investigation with ongoing theoretical and experimental research, aiming to analyze deeper the physical and structural properties of those materials. The aim of the current work is to provide a comparative investigation of the imaging performance of Lu2O3:Eu phosphors screens, prepared with different grain shape and size, and manufactured by the sedimentation method. Particularly, three screens were prepared with spherical grains, and sizes 50 nm, 200 nm and 5 μm. Furthermore, two screens with rod-like shape and sizes 500 nm and 8 μm were prepared. The screens were coupled to a RadEye HR CMOS optical sensor and the imaging quality was investigated through the Modulation Transfer Function (MTF), the Normalized Noise Power Spectrum (NNPS) and the Detective Quantum Efficiency (DQE). In addition the light emission efficiency was investigated in terms of Absolute Efficiency. The screen with the best light efficiency and imaging characteristics was compared with the characteristics of a Gd2O3S:Eu phosphor screen with 8 μm grain size . The experimental method was based on the guidelines published by the International Electrotechnical Commission (IEC) 62220-1-2:2005, which standardized the methodology for measuring DQE in digital detectors. Although this protocol has been replaced from IEC 62220-1-1:2015 (Michail et al 2016) the first one was preferred for comparison purposes with previous results.Focusing on the spherical grains a different behavior of the AE curves at low X-ray energies from 50 to 70 kVp is observed. In particular, for the spherical grain screens prepared with 50 nm and 200 nm the AE decreases as the energy increases from 50 to 70 kVp, in contrast to the screen prepared with 5 μm grains. This behavior may indicate different visible light optical properties due to the dependence of light extinction on grain size and emitted light wavelength as was previously shown using Monte Carlo simulations(Liaparinos 2013). The rod-like grain screens follows also a different trend at low energies compared with 50 nm and 200 nm spherical grains screens. In this case the higher scattering and attenuation of light photons may be affected by the rod-like shape of those grains. The rod-like shape seems to be of high importance not only in light scattering but also in scintillating light emission distribution, since it is not clear if the light is emitted from all grain surface, or they act as fibers that force the light to escape from their ends through mulitple reflections. However, in addition to the optical properties, the AE values are also a matter of synthesis procedure, affecting the defects population and distribution. The increasing part of all curves, from 70 to 90 kVp, is attributed to the K-absorption edge of the Lu2O3:Eu scintillator. The mass absorption coefficient is rapidly increased from 0.97 cm2/g at 63 keV to 1.52 cm2/g at 63.3 keV. Afterwards, for X-ray tube voltage higher than 90 kVp, the mass absorption coefficient is decreased as the X-ray tube energy increases. . The influence of the grains shape on image quality is more crucial than the grain size. Specifically, the rod-like grains show very poor imaging resolution and their noise level appeared very high, at low frequencies, influenced by the non-uniformities of the screen. Here it must be noticed that the screens preparation plays an important role, since the non-uniformities and the clusters created at the surface of the screens are highly influenced by the method of sedimentation and the influence of buoyancy at the macroscopic velocity of rod-like grains. The spherical grain screens appeared with very good resolution properties for all frequencies range. The influence of grains size between 50 nm and 200 nm is negligible on the MTF values. Only the NNPS values appeared to be different at low frequencies due to structural in-uniformities. The 5 μm spherical grains screen appears with slightly lower MTF values for all frequency range. Furthermore the NNPS values at low frequencies are higher compared with the 50 nm and 200 nm spherical grain screens. It was found that Lu2O3:Eu nanophosphor has higher AE and XLE by a factor of 1.32 and 1.37 on average, respectively, in the whole radiographic energy range in comparison with the Gd2O2S:Eu screen. DQG was also found higher in the energy range from 50 kVp to 100 kVp and comparable thereafter. For the low frequencies (0–2 cy/mm) the NNPS values of the CMOS/Gd2O2S:Eu system were found to be 90% higher in comparison with the CMOS/Lu2O3:Eu nanophosphor system, while in the medium to high frequency range (2–13 cy/mm) were found to be 40% higher. The MTF values of the nanophosphor Lu2O3:Eu/CMOS combination are higher in all the spatial frequency range, in comparison with the MTF values of the Gd2O2S:Eu/CMOS system. Furthermore the DQE seems to retain high values in the whole frequency range under consideration for the CMOS/Lu2O3:Eu system in contrast to the CMOS/Gd2O2S:Eu system. These results indicate that Lu2O3:Eu nanophosphor could be considered for further research in order to be used in medical imaging applications.

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.