Tecnologia
Varian: pionieri
Al principio degli anni novanta, i ricercatori del Ginzton Technology Center Varian iniziarono a integrare tra di loro numerose nuove tecnologie per ottenere in un solo dispositivo compatto che riuniva velocità, qualità dell’immagine e facilità d’uso. Nel 1998, Varian fu la prima e sola azienda nel mondo a realizzare sistemi a pannello piatto al silicio amorfo in grado di acquisire immagini digitali con tecniche sia radioscopiche che fluoroscopiche. Varian continua a perfezionare i suoi prodotti e a sviluppare la tecnologia dei recettori di immagini a pannello piatto in tempo reale. Oltre 20.000 recettori Varian sono installati in varie apparecchiature impiegate nei settori dell’imaging medicale e industriale.
Sistemi di imaging a raggi X in tempo reale
I prodotti Varian PaxScan™ riuniscono tutti i vantaggi dei sensori a pannelli di silicio amorfo, dei materiali di conversione della radiazione, dei dispositivi elettronici digitali ad alta velocità e analogici a basso rumore, dei circuiti elettronici di elaborazione e regolazione ASIC personalizzati e dei contenitori compatti. A mano a mano che emergono nuovi materiali, processi, circuiti e tecniche che promettono miglioramenti delle prestazioni o estensioni a nuove applicazioni, li integreremo nella nostra tecnologia di imaging. Attualmente la tecnologia Varian include:
- Sensori a pannelli di silicio amorfo
- Conversione dei raggi X
- Acquisizione delle immagini in tempo reale
Sensori a pannelli di silicio amorfo
La funzione del sensore a pannello è accumulare la carica generata dall’assorbimento dei raggi X e metterla a disposizione degli amplificatori, fila per fila, durante la scansione. Il dispositivo di immagazzinamento della carica è un condensatore nei rivelatori di immagine a fotoconduttori o un fotodiodo nei pannelli adoperati con gli scintillatori. L’interruttore che permette alla carica di fluire può essere costituito da un singolo diodo, una coppia di diodi o un transistor a film sottile. Ciascuna di queste possibili combinazioni di dispositivi di immagazzinamento ha una serie specifica di vantaggi e svantaggi. La combinazione impiegata nei prodotti Varian è quella fotodiodo-TFT a causa della sua semplicità d’uso, disponibilità comerciale e flessibilità nella progettazione.
Fotomicrografico di un sensore a pannello di silicio amorfo
Nell’array illustrato, l’interruttore è un transistor a film sottile (TFT), come gli interruttori impiegati nei display a cristalli liquidi a matrice attiva. Un obiettivo importante durante la progettazione del pannello è massimizzare l’area del rivelatore di immagini occupata dal fotodiodo (ottenere un “fattore di riempimento elevato”) affinché sia minima la quantità di luce incidente che non viene assorbita. I segnali sono trasportati dalle sottili linee metalliche. In questo sensore, la distanza fra i centri di pixel contigui è 127 micron e il fattore di riempimento è pari al 35%. Negli attuali prodotti Varian si utilizzano pannelli con fattore di riempimento maggiore.
Schema circuitale di un sensore a pannello di silicio amorfo
Durante il funzionamento, tutti i fotodiodi sono polarizzati inversamente dalla stessa tensione esterna. Quando gli interruttori TFT sono aperti, la carica generata dalla luce emessa dallo scintillatore si accumula sui diodi. Quando si desidera una lettura, tutti i diodi di una stessa fila vengono energizzati e si chiudono. Le cariche immagazzinate in tutti i fotodiodi della fila selezionata fluiscono così simultaneamente attraverso tutte le linee di dati. In array di notevoli dimensioni, vengono prodotti migliaia di segnali che devono essere letti contemporaneamente. A tal fine, Varian ha sviluppato un dispositivo su misura a basso rumore e a 128 canali con elevata capacità di carica, per funzionare con l’ampia gamma dinamica dei sensori a pannello di silicio amorfo.
Metodi di conversione dei raggi X
Il silicio amorfo permette di scegliere fra tre metodi comuni di conversione dei raggi X incidenti, nella carica per la lettura elettronica: conversione intrinseca, a fotoconduttore e a scintillatore. Ciascun metodo ha vantaggi e svantaggi per quanto riguarda le prestazioni nonché determinate limitazioni al suo uso in rivelatori di immagine a raggi X. In tutti e tre i metodi, la carica viene accumulata per il periodo di un frame prima di essere letta. Invece, nelle camere a raggi gamma i fotoni dei raggi X vengono contati a mano a mano che arrivano. Questa tecnica in genere non è utilizzata per l’imaging a raggi X poiché le frequenze di arrivo dei fotoni sono troppo alte per consentire il conteggio.
Metodo di conversione intrinseca
I raggi X in arrivo vengono catturati dal diodo a silicio amorfo quando si generano coppie lacuna-elettrone. Una tensione di polarizzazione applicata separa le cariche per prevenire la ricombinazione. Poiché viene generata una coppia di cariche circa ogni 5 elettronvolt di energia a raggi X, l’intensità dei segnali è alta. Sfortunatamente, l’assorbimento dei raggi X nel silicio è molto basso, per cui il fotodiodo deve avere uno spessore compreso tra 10 e 20 mm. La fabbricazione di tali dispositivi in silicio amorfo non è possibile. Sono stati realizzati dispositivi intrinseci al silicio cristallino ma solo array di una o due linee sono pratici, e anche questi sono costosi.
Metodo a fotoconduttore
Alcuni materiali fotoconduttivi con caratteristiche di assorbimento dei raggi X superiori rispetto al silicio possono essere deposti su un array di placche conduttive di raccolta delle cariche, ciascuna dotata di un condensatore di immagazzinamento. Anche questi array producono coppie lacuna-elettrone quando i raggi X vengono assorbiti, ma le cariche generate devono essere immagazzinate fuori dello strato per prevenire diafonia laterale. Il campo applicato non solo separa le cariche ma le dirige verso la piastra collettrice, direttamente sotto, per mantenere la nitidezza dell’immagine. Attualmente, l’unico materiale fotoconduttore in produzione, il selenio, presenta un basso assorbimento dei raggi X e richiede circa 50 elettronvolt per produrre una coppia lacuna-elettrone. Sono così limitate sia la dose minima necessaria sia l’intensità del segnale generato. Sono in fase di sviluppo altri materiali che richiedono energie inferiori e presentano caratteristiche superiori di assorbimento dei raggi X.
Metodo a scintillatore
Lo scintillatore è un composto che assorbe raggi X e ne trasforma l’energia in luce visibile. Uno scintillatore di buone caratteristiche produce molto fotoni di luce per ciascun fotone di raggi X incidente; sono valori tipici 20 - 50 fotoni di luce visibile per 1 kV di energia a raggi X in arrivo. In genere gli scintillatori consistono di una sostanza con elevato numero atomico, che presenta ottime caratteristiche di assorbimento dei raggi X, e di un attivatore a bassa concentrazione che assicura transizioni nella banda diretta per facilitare l’emissione dei fotoni di luce visibile. Gli scintillatori possono essere composti da sostanze granulari, come i fosfori, o cristalline, come lo ioduro di cesio.
Struttura di uno scintillatore al fosforo
Il fosforo è una sostanza che emette luce quando viene esposta ai raggi X. Per ottenere la massima luminosità, i fosfori adoperati per l’imaging a raggi X sono realizzati con ossisolfuri di terre rare drogati con altre terre rare. I più comuni sono gli ossisolfuri di gadolinio e lantanio drogati con terbio. In genere emettono luce di lunghezza d’onda compresa tra il blu e il verde, che si adatta bene alla sensibilità delle lastre. Si utilizza un’ampia gamma di dimensioni dei granuli e di miscele chimiche per ottenere risoluzioni e luminosità diverse. Per l’uso, i fosfori vengono miscelati con un legante colloso e applicati su fogli di plastica. Questi ultimi originariamente sono stati progettati per essere pressati contro la lastra per raggi X per migliorare la sensibilità, ma possono essere pressati anche contro array di fotodiodi al silicio amorfo per produrre rivelatori elettronici a raggi X aventi sensibilità non inferiore a quella delle lastre. Sono necessarie decine di elettronvolt per produrre ciascun fotone di luce visibile su uno schermo ai fosfori e le caratteristiche di assorbimento dei raggi X sono buone. La diffusione della luce può rappresentare un problema se gli strati devono essere abbastanza spessi da bloccare i raggi X a energie superiori.
Struttura di uno scintillatore allo ioduro di cesio
Per ottenere una combinazione migliore di risoluzione e luminosità, si può utilizzare lo ioduro di cesio (CsI), che ha l’utile proprietà di crescere sotto forma di un array denso di aghi sottilissimi (da 10 a 20 micron di diametro) nelle condizioni appropriate di evaporazione. Vengono così prodotti cristalli che funzionano come tubi di guida per i fotoni di luce visibile generati presso il lato d’ingresso dello strato, permettendo di utilizzare strati molto spessi (fino a 1 mm) e con eccellente mantenimento della risoluzione. Poiché il cesio ha un numero atomico alto, ha un’efficienza eccellente di assorbimento dei raggi X incidenti. Sono necessari circa 20 - 25 elettronvolt per generare ciascun fotone di luce visibile. Quando è drogato con il tallio, il CsI emette luce a lunghezza d’onda di circa 550 nm, ossia al picco della sensibilità spettrale del silicio amorfo. La combinazione del CsI e del silicio amorfo presenta la massima efficienza di detezione quantica (DQE) di tutti i materiali oggi in produzione.
Sistemi di imaging a raggi X in tempo reale
Nel passato, l’imaging a raggi X in tempo reale (fluoroscopia o radioscopia) normalmente richiedeva una telecamera unitamente a un dispositivo di conversione dei raggi X incidenti in luce visibile rilevabile dalla telecamera stessa. Fino a poco tempo fa, erano comuni le telecamere con tubi convertitori di immagine, ma i nuovi sistemi utilizzano quasi esclusivamente modelli CCD. Questi ultimi (e altri dispositivi di imaging a stato solido correlati) sono superiori rispetto ai tubi convertitori di immagine per quanto riguarda stabilità, precisione geometrica, uniformità del segnale e dimensioni, ma questi vantaggi vengono sostanzialmente persi quando si aggiunge il sistema di conversione dei raggi X. I rivelatori di immagine con sensore a pannello riportano questi vantaggi, completandoli con alcuni propri. Questo è illustrato nelle figure seguenti.
 | CCD con intensificatore di immagini a raggi X Questa combinazione offre imaging in tempo reale con basso flusso dei raggi X su aree ragionevolmente grandi. La distorsione geometrica e la sensibilità alla ritenzione dell’immagine (“bruciatura dello schermo”) sono elevate. Poiché il guadagno dell’intensificatore dipende dall’accelerazione degli elettroni, è sensibile a campi magnetici esterni e richiede alte tensioni. |
 | CCC con lente accoppiata Poiché l’efficienza di raccolta ottica della lente è molto bassa, questa combinazione richiede un flusso elevato o una telecamera a intensificazione per il funzionamento in tempo reale. Lo specchio sposta la telecamera rispetto al fascio di raggi X principale. Cambiare il campo di vista o la banda di energia è semplice: basta cambiare lo schermo del convertitore. |
 | CCD con riduttore a fibre ottiche Questa combinazione offre una soluzione semplice per aree piccole. La distorsione geometrica e l’uniformità sono buone. La scelta di schermi assicura l’adattabilità a varie bande di energia. A energie più alte, può essere necessario un riduttore ad angolo retto per spostare la telecamera rispetto al fascio principale. |
 | Rivelatore di immagini con sensore a pannello La semplicità di questo dispositivo evita la maggior parte dei rischi di degradazione presentati dagli altri rivelatori di immagine. La gamma dinamica, il contrasto e la geometria sono migliorati, ed è possibile selezionare il convertitore. A energie più alte, solo i dispositivi elettronici di scansione e lettura devono essere posizionati fuori del percorso del fascio primario. |
Imaging digitale: Tecnologia: Acquisizione delle immagini in tempo reale
| Rivelatore di immagini | CCD accoppiato otticamente | CCD a fibre ottiche | CCD con intensificatore di immagini a raggi X | |
|---|---|---|---|---|
| Area coperta | Grande | Grande | Piccola | Moderata/o |
| Sensibilità | Alta/o | Bassa/o | Moderata/o | Alta/o |
| Gamma dinamica | Alta/o | Moderata/o | Moderata/o | Moderata/o |
| Contrasto | Alta/o | Moderata/o | Moderata/o | Bassa/o |
| Precisione geometrica | Molto alta | Moderata/o | Moderata/o | Bassa/o |
| Stabilità | Alta/o | Alta/o | Alta/o | Moderata/o |
| Resistenza alle radiazioni | Molto alta | Alta (con specchio) | Moderata/o | Moderata/o |
| Numero di pixel per immagine | Alto-molto alto | Basso-alto | Basso-alto | Basso-alto |
| Resistenza ai campi magnetici | Molto alta | Molto alta | Molto alta | Molto bassa |
| Compattezza | Alta/o | Bassa/o | Moderata/o | Bassa/o |
| Funzionamento a bassa tensione | Sì | Sì | Sì | No |
| Zoom elettronico | Sì | Raro | Raro | Sì |
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