Le tecnologie per l acquisizione delle immagini digitali

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1 Le tecnologie per l acquisizione delle immagini digitali Mauro Gambaccini Dipartimento di Fisica dell Università di Ferrara Sezione INFN di Ferrara CORSO ITINERANTE DI MAMMOGRAFIA DIGITALE Udine, 27 Gennaio 26

2 Passi per ottenere una immagine digitale 1) Campionamento: Suddivisione del campo immagine in elementi che chiameremo pixel (picture element) 2) Quantificazione del segnale radiografico: Misura della fluenza dei raggi x che colpiscono ogni elemento immagine 3) Conversione digitale del segnale: Espressione del risultato della misura con un numero intero codificato in codice binario

3 SISTEMI CLINICI PER MAMMOGRAFIA DIGITALE Campionamento Quantificazione del segnale radiografico DR (Direct Radiography) In fase di acquisizione Intrinseca alla tecnologia del rivelatore Misura di una quantità di carica CR (Computer Radiography) Dopo l esposizione ai raggi X In fase di lettura dello schermo Misura di una intensità luminosa Conversione digitale del segnale Digitalizzazione di un segnale in tensione Conteggio di impulsi Digitalizzazione di un segnale in corrente

4 Fluenza media di fotoni X Fluenza di fotoni X piano immagine tubo a raggi X oggetto Misuratore di fluenza A Campionamento spaziale

5 Fluenza media di fotoni X Fluenza media di fotoni X Fluenza di fotoni X Fluenza di fotoni X Campionamento spaziale effetto dell allineamento del misuratore con la geometria dell oggetto

6 Quantificazione del segnale radiografico Fascio X trasmesso Matrice dati di una grandezza fisica i Misura della Fluenza X i j j

7 sistemi statici sistemi a scansione RIVELATORI 2D 1) Imaging plate fosforo a memoria 2) Flat panel fosforo/silicio amorfo 3) Flat panel selenio amorfo RIVELATORI lineari fosforo / CCD Silicio cristallino a pixel

8 Rivelazione dei raggi X Per la rivelazione dei raggi X devono essere utilizzati i fenomeni che avvengono nell iterazione della radiazione con la materia Il segnale prodotto nel rivelatore è legato all energia in esso rilasciata dalla radiazione incidente Segnale elettrico E a Segnale luminoso Cambiamento di stato chimico-fisico

9 Rivelazione dei raggi X E e eccitazione E e ionizzazione Energia utile per la formazione del segnale E a

10 ENERGIA ENERGIA Conduttore (Cu) conduttori Banda di conduzione Livelli elettroni interni Isolante (Na + Cl - ) isolanti Banda di conduzione 8-1 ev Banda di valenza Livelli elettroni interni

11 Effetto fotoelettrica e relativa cascata di elettroni secondari n E c E c E c k l m E c E c Fotone X h E c E c E c

12 ENERGIA ENERGIA Isolante (Na + Cl - ) Banda di conduzione 8-1 ev Banda di valenza Livelli elettroni interni BC 8-1 ev BV Livelli elettroni interni

13 ENERGIA PRESENZA NEL RETICOLO DI UN DIFETTO atomo di Cl - mancante BC BV Livelli elettroni interni Cantro F (Farbe: colore)

14 INTRODUZIONE NEL RETICOLO di atomi estranei (DROGAGGIO) fotoluminescenti Fluorescenti o luminescenti termoluminescenti BC BV 8-1 ev Livelli elettroni interni

15 FOSFORI USATI IN MAMMOGRAFIA Ossisolfuro di Gadolinio Gd 2 O 2 S (Tb) (verde) Gd2O2S (Eu) (rosso) BC FOSFORI Schermi fluorescenti Ioduro di Cesio CsI (Tl) BV Fluoro-bromuro di Bario BaFBr (Eu) BC BV FOSFORI A MEMORIA Schermi fotostimolabili

16 DIGITALE INDIRETTA CR Computer Radiography

17 FOSFORI A MEMORIA Schermi fotostimolabili

18 CR Computer Radiography

19 Fenomenologia degli schermi a memoria fluorescenza Esposizione ai raggi X fluorescenza Esposizione a luce laser fluorescenza fotostimolata schermo schermo schermo schermo bc bc bv bv FORTE ILLUMINAZIONE DELLO SCHERMO

20 Corrente campionata Corrente del fotomoltiplicatore corrente Linea n Linea n+1 Linea n+2 Linea n+3 Linea n+. riga n riga n+1 riga n+2 rigaa n+3 Tempo (posizione) rigaa n+. posizione

21 DIGITALE DIRETTA FLAT PANEL AL SILICIO AMORFO Rivelazione indiretta dei raggi X

22 1929 x 234 pixel.1 mm pitch 14 bit CsI (Tl) Ioduro di cesio Si silicio Pixel (1 micron)

23 ENERGIA conduttori semiconduttori isolanti Banda di conduzione Banda di conduzione 1 2 ev Banda di valenza Banda di conduzione 8-1 ev Banda di valenza Livelli elettroni interni Livelli elettroni interni Livelli elettroni interni Si silicio Ge germanio Se selenio GaAs arsenurio di gallio ecc...

24 FOTOCONDUTTIVITA Luce visibile 2 ev Silicio BC BV 1.2 ev Livelli elettroni interni Per ogni fotone ottico assorbito nel silicio un elettrone va in banda di conduzioine

25 Corrente nel silicio FOTOCONDUTTIVITA Esposizione Alla luce si G si corrente G si G bc bv Q carica Tempo La carica è proporzionale alla quantità di luce assorbita dal silicio

26 Contatti elettronica di read-out Matrice di TFT (Thin Film Transistor) FET Substrato di vetro Strato protettivo di grafite Scintillatore (CsI) PIXEL (fotodiodo)

27 tensione campionata SCANSIONE ELETTRONICA PER LA LETTURA DEL FLAT PANEL Misuratore di tensione riga n riga n+1 riga n+2 rigaa n+3 rigaa n+. posizione

28 DIGITALE DIRETTA FLAT PANEL AL SELENIO AMORFO Rivelazione diretta dei raggi X

29 X-ray detector 3584 x 496 pixel.7 mm pitch 14 bit

30 FOTOCONDUTTIVITA Fotone X h Selenio BC BV ev Livelli elettroni interni Per ogni fotone X assorbito nel selenio migliaia di elettroni vanno in banda di conduzioine

31 Effetto fotoelettrica e relativa cascata di elettroni secondari n E c E c E c k l m E c E c Fotone X h E c E c E c

32 Corrente nel silicio FOTOCONDUTTIVITA Esposizione ai raggi X Se Se corrente Se G G G bc bv Q carica Tempo La carica è proporzionale alla quantità di raggi X assorbiti dal selenio

33 Raggi X Elettrodo superiore Selenio Amorfo Spessore di dielettrico Elettrodi di raccolta Thin Film transistor Substrato di vetro

34 tensione campionata SCANSIONE ELETTRONICA PER LA LETTURA DEL FLAT PANEL Misuratore di tensione riga n riga n+1 riga n+2 rigaa n+3 rigaa n+. posizione

35 Ottenuti i profili campionati delle intensità dei raggi X che incidono sul rivelatore Necessario digitalizzare le misure ovvero esprimerle con un valore numerico intero LA CONVERSIONE A/D Analogico/Digitale

36 Fascio X trasmesso Matrice di numeri i Conversione analogico/digitale i Eij Esposizione fluenza di fotoni X j Emin - Emax 8 bit 9 bit 1 bit 11 bit 12 bit 13 bit 14 bit j Nij

37 COLONNE RIGHE

38 DIGITALE DIRETTA Rivelatori lineari SISTEMI A Scansione

39 tensione campionata RIVELATORI lineari fosforo / CCD Rivelazione indiretta dei raggi X sistemi a scansione riga n riga n+1 riga n+2 rigaa n+3 rigaa n+. posizione

40 sistemi a scansione RIVELATORI lineari Silicio cristallino a pixel

41 RIVELATORE A CONTEGGIO DI FOTONE SINGOLO Fotone X h Silicio cristallino BC BV 1.2 ev Livelli elettroni interni Per ogni fotone X assorbito nel silicio cristallino migliaia di elettroni vanno in banda di conduzioine

42 RIGHE Silicio cristallino a pixel Raggi X preamplificatore v registri contatori t COLONNE

43 COLONNE RIGHE

44 L'immagine digitale Per visualizzare la matrice di dati digitali memorizzati è necessario convertirla in opportuni livelli di luminosità. Questo viene effettuato con apposite workstation dotati di specifici monitor di presentazione In questo caso la digitalizzazione del segnale è a 8 bit.

45 GRAZIE PER L ATTENZIONE

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