Conversion AnalóGico Digital
- 1. Sumario REVISIÓN TÉCNICA Revista de Física Médica 2000; 1(1): 112-118 Detector plano de rayos X de selenio para Fluoroscopia y Radiografía Digital Hiroshi Asahina Centro de Desarrollo & Investigación de Sistemas Médicos. Compañía de Sistemas Médicos. Toshiba Corporation. Tochigi. Japón. Resumen Abstract Nuestra Compañía ha desarrollado con éxito el primer de- We have succeeded in developing the first selenium-based tector de Rayos-X plano, con tecnología de selenio, para Fluo- flat panel X-ray detector for digital fluoroscopy and radio- roscopia y Radiografía Digital. Este detector convierte los Ra- graphy. This flat panel X-ray detector efficiently captures X- yos-X que han pasado a través del cuerpo del paciente en imá- rays that have passed through the patient’s body and converts genes digitales estáticas y dinámicas, de tal modo que se pue- them directly to digital dynamic and static images. It has be- den obtener imágenes de alto contraste y resolución espacial. en confirmed that images with high spatial resolution and Este nuevo tipo de detectores de Rayos X puede reemplazar contrast can be obtained. This new type of X-ray detector tanto a las películas como a los intensificadores, utilizados en may replace X-ray film and image intensifiers, which have sistemas de diagnóstico durante más de 50 años. been used in diagnostic X-ray systems for more than 50 ye- El nuevo detector de Rayos X tiene una superficie de 23 cm ars. The newly developed flat panel detector is a two-dimen- x 23 cm y se compone de un material fotoeléctrico (Selenio sional surface measuring 23 cm x 23 cm. It consists of a pho- Amorfo) y un detector compuesto de pequeños transistores toelectric material (amorphous selenium) and a laminated (TFT´s) cuyo tamaño es 0,15 mm x 0,15 mm. array of thin film transistors (TFTs) with detector elements Este detector permite obtener imágenes fluoroscópicas a 30 0.15 mm x 0.15 mm in size. imag/seg, haciendo posible la visualización de lesiones tales This detector permits fluoroscopy to be performed at a rate como cánceres en estado precoz o estenosis vasculares, apor- of up to 30 images per second, making it possible to visualize tando muchas ventajas e incluyendo amplias posibilidades de the morphological characteristics of lesions such as early-stage diagnóstico y reducida dosis al paciente. cancer or vascular stenosis, and offers many advantages, inclu- Nosotros habíamos pensado desarrollar una gran variedad ding expanded diagnostic capabilities and reduced patient ex- de detectores para una amplia gama de aplicaciones en Radio- posure dose. We plan to develop a variety of detectors for a wi- logía Digital desde Radiología General hasta Angiografía. En de range of digital X-ray applications from general radiography este informe analizamos la estructura y características de este to angiography. The structure and features of the newly develo- detector plano así como las ventajas de la próxima generación ped flat panel detector and the advantages of next-generation de sistemas radiológicos. diagnostic X-ray systems are discussed in this report. Introducción recta con tecnología selenio, que permite fluoroscopias y radioscopias digitales de alta resolución. Este nuevo pa- Los avances tecnológicos que se han hecho en siste- nel es una superficie de 23 x 23 cm y se compone de un mas de diagnóstico por Rayos-X, hacen posible generar material fotoeléctrico (amorphous selenium) y un detec- datos útiles en un rango cada vez más amplio de aplica- tor compuesto de pequeños transistores (TFT´s) que mi- ciones terapéuticas y de diagnóstico. Recientemente, ha den 150 µm x 150 µm. habido una gran actividad investigadora, centrada en el Este detector permite obtener imágenes fluoroscó- desarrollo de nuevos detectores de Rayos-X, para alcan- picas a 30 imag/seg, proporcionando imágenes digita- zar imágenes totalmente digitales. Hemos logrado desa- les dinámicas y estáticas, con una resolución espacial rrollar un detector plano de Rayos-X de conversión di- excelente y alto contraste. Realmente, se trata de un
- 2. Detector plano de rayos X de selenio para Fluoroscopia y Radiografía Digital 113 detector digital de Rayos-X innovador, que reempla- versión indirecta para imágenes estáticas y del éxito zará a los intensif icadores de imagen de Rayos-X de TOSHIBA en la obtención de imágenes dinámi- convencionales (I.I.), utilizados durante más de 50 cas, utilizando un detector de conversión directa ba- años. En la nueva era de la imagen digital y redes de sado en selenio con detector pequeño, de 4 cm x 4 información médica, este detector será aplicable a cm, que convertía los Rayos-X directamente en imá- una gran variedad de exámenes tales como radiología genes dinámicas. Este informe generó gran interés, general, estudios gastrointestinales, angiografía car- considerándose un reto extremadamente difícil para diaca y general, etc., ofreciendo muchas ventajas clí- llegar a obtener imágenes dinámicas a alta veloci- nicas. dad, utilizando un detector de panel plano con un Este informe describe la estructura y características de método de conversión directa. este detector e introduce la nueva generación de diagnós- tico de Rayos-X, que incorpora este detector de panel plano. Estructura del Detector Plano de Conversión Directa para imágenes dinámicas Historia de las Innovaciones Tecnológicas en Sistemas El detector plano de conversión directa para la ob- de Diagnóstico por Rayos-X tención de imágenes dinámicas, está diseñado para convertir los Rayos-X que han pasado a través del Durante muchos años después del descubrimiento paciente en señales eléctricas que generen imágenes de los Rayos-X, las exploraciones fluoroscópicas se totalmente digitales tanto estáticas como dinámicas. realizaban en una sala oscura, observando imágenes El detector consta de cuatro componentes: una uni- en una pantalla fluorescente, que brillaba en respuesta dad de conversión de Rayos-X, un conjunto de detec- a los Rayos-X que habían pasado a través del paciente. tores, una unidad de procesamiento de señales de alta En los años 50, el desarrollo de los intensificadores de velocidad y otra de transferencia de imagen digital imagen (I.I.) fue un gran paso hacia la fluoroscopia. (Fig. 1). Al reemplazar la pantalla fluorescente por un instru- mento electrónico basado en la tecnología de TV, se consiguió un incremento significativo del brillo de la Unidad de conversión de Rayos-X imagen. En los años 80, la angiografía por sustracción digital (DSA), se introdujo en el campo de las explo- En esta unidad se utiliza un material fotoeléctrico raciones cardio-vasculares con contraste. En DSA, las (selenio amorfo) para convertir los Rayos-X en señales señales analógicas de vídeo procedentes de una cáma- eléctricas. Cuando una capa de selenio amorfo se ex- ra de TV, se convierten en datos digitales y las estruc- pone a los Rayos-X, se generan, gracias a la fotocon- turas vasculares se visualizan al ser procesadas digi- ductividad y en proporción al nivel de exposición, car- talmente. De este modo, los grandes avances que han gas positivas y negativas. Aplicando un voltaje de va- tenido lugar en la tecnología electrónica han dado co- rios kV, las cargas generadas se mueven a través del mo resultado un espectro más amplio de aplicaciones campo eléctrico como una corriente fotoeléctrica y se en el diagnóstico de imágenes di- gitales, desde la radiología general hasta los estudios gastrointestina- les. Alrededor de 1990, comenzó el desarrollo de un detector plano pa- ra Rayos-X con la misma tecnolo- gía utilizada para la fabricación de pantallas (TFT´s) de cristal líquido. Un informe presentado en la RSNA en 1995 hablaba de un detector pla- no de Rayos-X basado en la tecno- logía de selenio de conversión di- recta para imágenes estáticas, el cual atrajo la atención de los inves- tigadores. En 1997, simultáneamente, se informa del desarrollo de un de- tector plano de Rayos-X de con- Figura 1. Diseño del detector con pantalla plana de conversión directa para imágenes dinámicas.
- 3. 114 Hiroshi Asahina Unidad de transferencia de imagen digital Esta unidad está diseñada para compensar las señales digitales y pa- ra transmitir imágenes digitales, se- cuencialmente, hacia el ordenador auxiliar. En Fluoroscopia, las imáge- nes dinámicas se obtienen a una ve- locidad de hasta 30 imágenes por se- gundo, correspondiendo a una velo- cidad de transmisión de datos supe- rior a 1.0 gigabites por segundo. Comparación de Métodos de Figura 2. Secciones cruzadas que demuestran las diferencias entre el método directo e indirecto. Conversión de Rayos-X en imágenes recogen sin pérdida ni dispersión por el conjunto de La diferencia entre el detector plano de conversión di- detectores (Fig. 2a). recta y otros detectores está en el proceso de conversión de Rayos-X en imágenes (Tabla 1). En sistemas que em- plean películas de Rayos-X y películas de cine, los Ra- Conjunto de detectores yos-X se convierten en luz y se proyectan sobre la pelí- cula. La imagen analógica final se obtiene revelando la La tecnología TFT se emplea para fabricar un conjunto imagen latente de la película. En radiología computeriza- de más de dos millones de detectores en un sustrato de da (CR), las imágenes de Rayos-X son capturadas en una cristal. Cada elemento del detector incluye un condensa- placa de imagen (IP) de fósforo. La imagen digital se ob- dor y un TFT. Mientras la unidad de conversión está ex- tiene escaneando el IP con un rayo láser para convertir la puesta a los Rayos-X, las cargas generadas se acumulan imagen latente en señales eléctricas. En un intensificador en el condensador. Cuando el TFT es activado por una de imagen (I.I.), las imágenes digitales se obtienen con- señal procedente de la unidad de procesamiento de alta virtiendo los Rayos-X en señales eléctricas y éstas en luz velocidad, la carga acumulada es leída como una señal gracias a una cámara de TV . eléctrica. Como un nuevo método de detección de Rayos-X, de- bemos citar el detector plano de conversión indirecta (Fig. 2b), el cual incluye láminas de material fluorescen- Unidad de procesamiento de señales de alta velocidad te, fotodiodos y un conjunto TFT. El material fluorescen- te convierte los Rayos-X en luz, y los fotodiodos con- Esta unidad genera señales dirigidas, secuencial- vierten, a su vez, ésta en señales eléctricas. Estos detec- mente, para activar los TFT del conjunto de detecto- tores de Rayos-X emplean métodos de conversión indi- res. Las señales eléctricas leídas en respuesta a estas recta, transformando los Rayos-X en luz, y ésta, a su vez señales se amplif ican y se envían a un convertidor en imagen. Una vez que los Rayos-X han sido converti- analógico-digital. dos en luz, ésta sufre repetidas dispersiones y reflexiones Tabla 1. Comparación entre diferentes métodos de Rayos X (para convertir Rayos X en imágenes). Método de detección Conversión de rayos X en imágenes Digital Directo Detector de panel plano Rayos X → imagen (selenio amorfo) Indirecto Detector de panel plano Rayos X → luz → imagen (material fluorescente + fotodiodo) I.I. + Cámara TV Rayos X → luz → imagen Detector de imagen Rayos X → imagen latente → luz → imagen Analógica Indirecto I.I. + película Rayos X → luz → imagen latente → imagen Pantalla intensificadora + película Rayos X → luz → imagen latente → imagen
- 4. Detector plano de rayos X de selenio para Fluoroscopia y Radiografía Digital 115 • Espesor de selenio: 1000 µm. • Capacidad de imágenes: radio- grafía digital y fluoroscopia hasta 30 ips. La apariencia externa de este de- tector (Ver Fig. 4) muestra, en su parte central, el campo de visión efectivo de los Rayos-X, que consta de una lámina de selenio amorfo, dispuesta sobre un detector. Las placas del circuito eléctrico situa- das a ambos lados son utilizadas para generar las señales de la uni- dad de procesamiento de alta velo- cidad. Las placas adicionales de circuitos de la parte trasera son uti- lizadas para la amplificación de se- Figura 3. Pérdidas y diseminación de los datos de rayos-X en un detector de pantalla plana de ñales en la unidad de proceso de al- conversión indirecta. ta velocidad, para la conversión analógico-digital y para la salida de en todas direcciones, con el resultado de una pérdida de datos hacia la unidad de transferencia de imagen. Las datos útiles, reduciendo la sensibilidad a los Rayos X y señales eléctricas son enviadas desde el conjunto de de- minimizando la resolución espacial. tectores hacia la unidad de procesamiento de alta velo- En contraposición, el detector plano de conversión di- cidad a través del conjunto de cables superior e inferior. recta aprovecha al máximo la fotoconductividad para convertir los Rayos-X directamente en señales eléctricas. Así, los datos válidos de Rayos-X son aprovechados en Avance Tecnológico su totalidad (Fig. 3). Para conseguir Fluoroscopia con bajo nivel de expo- sición a los Rayos-X, fue necesario desarrollar una nue- Descripción del Detector Plano para Imágenes va tecnología que convertía los Rayos X en imágenes Dinámicas digitales. Las especificaciones del detector plano desarrollado recientemente, son las siguientes: Gran sensibilidad a los Rayos-X • Campo de visión efectivo: 23 x 23 cm (cuadrado) • Tamaño del elemento detector: 150 x 150 µm. Esta es esencial en Fluoroscopia. La sensibilidad del método de conversión directa está determinada por la eficiencia de absorción de Rayos-X, por parte de la capa de selenio amorfo. Los experimentos preliminares fue- ron realizados utilizando un detector de campo pequeño para investigar la eficiencia de la absorción de los Ra- yos-X de capas de selenio amorfo de diferentes groso- res: 510, 740 y 1020 µm (Fig. 5). A medida que la efi- ciencia de absorción de los Rayos-X se incrementa, la inclinación de la línea marcada en el gráfico se hace más pronunciada. La eficiencia de absorción de Rayos- X para un grosor de 1020 µm fue 1,4 veces mayor que la experimentada en una capa de 510 µm, valor que se aproxima bastante a los resultados de los cálculos teóri- cos. Toshiba ha decidido emplear una capa de 1000 µm de selenio amorfo para Fluoroscopia. Como referencia, se muestra la sensibilidad a los Rayos-X de nuestro pro- totipo de detector plano de conversión indirecta, que Figura 4. Aspecto externo del detector con pantalla plana para imáge- emplea yoduro de cesio (CsI) con un espesor de 400 µm nes dinámicas. como material fluorescente.
- 5. 116 Hiroshi Asahina Protección contra el exceso de voltaje Uno de los objetivos prioritarios en el método de conversión directa es proteger el TFT de un exceso de voltaje. Cuando los Rayos-X entran en la capa de selenio amorfo, se ge- nera y se almacena una carga eléctri- ca en un condensador (Fig. 6). El voltaje en el condensador se incre- menta en proporción a la cantidad de carga, pero un TFT conectado a un condensador tiene límites respec- to al voltaje aplicado. Si los Rayos- X continúan entrando en la capa de Figura 5. Rasgos de sensibilidad radiológicos (absorción radiológica versus grosor de selenio amorfos). selenio amorfo, el voltaje en el con- densador se incrementa excesiva- mente y el TFT corre el riesgo de sufrir sobrevoltaje. Para evitar esta circunstancia, se ha instalado un cir- cuito especial para drenar el exceso de carga procedente de los elemen- tos del detector, asegurando una imagen estable de alta velocidad, in- cluso si el detector está sujeto a altos niveles de exposición de Rayos-X. La estructura TFT necesariamente se vuelve más compleja, pero a pesar de este incremento de complejidad, la gran calidad se mantiene en el elemento detector, gracias a la avan- zada tecnología de la pantalla de cristal líquido de Toshiba. Figura 6. Protección de sobrecargo de los transitores de película fina (TFTs). Evaluación de las Prestaciones Resolución espacial La figura 7 muestra la resolución espacial, calculada a partir de las imágenes digitales obtenidas. La lí- nea de función ha sido obtenida a partir de una primera imagen dividi- da, empleándose la transformada de Fourier para calcular la función de transferencia de modulación (MTF). En el gráfico se muestran las ca- racterísticas de la resolución espa- cial del prototipo de detector plano de conversión indirecta y de un sis- tema de pantalla-película de Rayos- X, junto con los valores teóricos del método de conversión directa, con el Figura 7. Rasgos de resolución espacial. mismo tamaño de pixels como refe-
- 6. Detector plano de rayos X de selenio para Fluoroscopia y Radiografía Digital 117 rencia. A frecuencias más altas, la película de Rayos-X tadas, el método de conversión directa es superior a la tiene una mejor resolución. Aunque, el detector digital de película de Rayos-X en los valores medios de frecuencia, Rayos-X tiene características de frecuencia espacial limi- lo que contribuye en gran medida a la capacidad de diag- nosticar imágenes. Los valores me- didos son muy cercanos a los calcu- lados teóricamente, lo que indica que los datos de Rayos-X son con- vertidos en imágenes sin dispersio- nes y con gran precisión. Linealidad y características de respuesta de los Rayos-X La Figura 8 nos muestra las carac- terísticas de respuesta de Rayos-X. Las señales eléctricas (expresadas como cargas eléctricas almacenadas en el condensador) correspondientes a la dosis de Rayos-X, han sido me- didas en un tubo de voltaje de Ra- Figura 8. Rasgos de respuestas de los rayos X. yos-X de 80 KVp con un filtro de aluminio de 20 mm a la salida del tubo. Las señales eléctricas mues- tran buena linealidad sobre un am- plio rango de valores de exposición de Rayos, y alcanza la saturación en el nivel especificado, incluso cuando la exposición de Rayos es excesiva. Estas excelentes características de sensibilidad a los Rayos-X hacen que el detector sea válido para un gran número de aplicaciones, inclu- yendo Fluoroscopia y Radiología. Imágenes obtenidas utilizando el detector plano Figura 9. Imágenes dinámicas de un fantoma de mano. Se adquirieron imágenes dinámi- cas a 30 imag/seg, de un fantoma, simulando una mano en rotación, (Fig. 9), en el que ven imágenes de alta definición con bajos niveles de distorsión. La figura 10 nos muestra imágenes de un test de resolución espacial, situado en un ángulo de 45º, obtenido mediante la utilización de un detector plano y de un sistema de Intensificador de Imagen de 9", en el que se utilizó el campo de 6 pulgadas. En las imágenes obtenidas utilizando el detector plano, es posi- ble la visualización de hasta 4.3 pl/mm, que está muy cerca de la re- Figura 10. Imágenes de un gráfico de resolución espacial-comparación entre el método de conver- sión directo y el método de cámara de TV con Intensificador de Imagen (con voltaje de tubo de solución límite (3.4 pl/mm x 2), evi- 80kVp). a) Detector con pantalla plana usando el método de conversión directo. b) Vista de 6’’ ob- denciando una resolución espacial tenido con un 9’’ Intensificador de Imagen (I.I.). excelente.