Ανάπτυξη υπολογιστικού μοντέλου προσομοίωσης φθοριζόντων υλικών ανιχνευτών ιατρικής απεικόνισης με τεχνικές Monte Carlo

Abstract

The intrinsic phosphor properties are of significant importance for the performance of phosphor screens used in medical imaging systems. In previous analytical theoretical and Monte Carlo studies on granular phosphor materials values of optical properties and light interaction cross sections were found by fitting to experimental data. These values were then employed for the assessment of phosphor screen imaging performance. However it was found that depending on the experimental technique and fitting methodology the optical parameters of a specific phosphor material varied within a wide range of values i.e. variations of light scattering with respect to light absorption coefficients were often observed for the same phosphor material In this study x-ray and light transport within granular phosphor materials were studied by developing a computational model using Monte Carlo methods. The model was based on the intrinsic physical characteristics of the phosphor. Input values required to feed the model can be easily obtained from tabulated data. The complex refractive index was introduced and microscopic probabilities for light interactions were produced using Mie scattering theory. Model validation was earned out by comparing model results on x-ray and light parameters (x-ray absorption statistical fluctuations in the x-ray to light conversion process number of emitted light photons output light spatial distribution) with previous published experimental data on Gd₂O₂S:Tb phosphor material (Kodak Min R screen). Results showed the dependence of the modulation transfer function (MTF) on phosphor gram size and material packing density. It was predicted that granular Gd₂O₂S:Tb screens of high packing density and small gram size may exhibit considerably better resolution and light emission properties than the conventional Gd₂O₂S:Tb screens under similar conditions (x-ray incident energy screen thickness).

Οι ενδογενείς ιδιότητες των φθοριζόντων υλικών ανιχνευτών ιατρικής απεικόνισης, παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στην απόδοση των ενισχυτικών πινακίδων που χρησιμοποιούνται σε ιατρικά απεικονιστικά συστήματα. Σε προηγούμενες μελέτες φθοριζόντων υλικών κοκκώδους μορφής, είτε με αναλυτικές μεθόδους είτε με τεχνικές Monte Carlo, οι τιμές των οπτικών παραμέτρων καθώς και οι πιθανότητες αλληλεπίδρασης του φωτός υπολογίστηκαν με τη βοήθεια τεχνικών προσαρμογής (fitting) σε πειραματικά δεδομένα. Ωστόσο, είχε παρατηρηθεί ότι στηριζόμενοι σε πειραματικά δεδομένα και τεχνικές προσαρμογής, οι οπτικοί παράμετροι ενός συγκεκριμένου υλικού μεταβάλλονται εντός ενός σημαντικού εύρους τιμών (π.χ. είχαν δημοσιευτεί, για το ίδιο πάχος υλικού διαφορετικές τιμές ενεργούς διατομής οπτικής σκέδασης). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε ένα υπολογιστικό μοντέλο προσομοίωσης φθοριζόντων υλικών κοκκώδους μορφής, με τεχνικές Monte Carlo, με σκοπό τη μελέτη διάδοσης των ακτίνων-χ και του φωτός. Το μοντέλο στηρίχθηκε μόνο στις φυσικές ιδιότητες των φθοριζόντων υλικών. Κάνοντας χρήση της θεωρίας σκέδασης Mie και με τη βοήθεια του μιγαδικού συντελεστή διάθλασης των υλικών, χρησιμοποιήθηκαν μικροσκοπικές πιθανότητες αλληλεπίδρασης του φωτός. Η εγκυρότητα του μοντέλου πιστοποιήθηκε συγκρίνοντας αποτελέσματα (π.χ. ποσοστό απορρόφησης ακτίνων-χ, στατιστική κατανομή μετατροπής των ακτίνων-χ σε φωτόνια φωτός, αριθμός εκπεμπόμενων οπτικών φωτονίων, κατανομή του φωτός στην έξοδο του ανιχνευτή) με δημοσιευμένα πειραματικά δεδομένα για το φθορίζον υλικό Gd₂O₂S:Tb (ενισχυτική πινακίδα τύπου Kodak Min-R). Τα αποτελέσματα έδειξαν την εξάρτηση της συνάρτησης μεταφοράς διαμόρφωσης (MTF) από το μέγεθος του κόκκου και από τον αριθμό των κόκκων ανά μονάδα μάζας (πακετοποιημένη πυκνότητα: packing density). Προβλέφθηκε ότι ενισχυτικές πινακίδες με φθορίζον υλικό υψηλού αριθμού κόκκων ανά μονάδα όγκου και χαμηλής τιμής μεγέθους κόκκου μπορούν να παρουσιάσουν καλύτερη απόδοση ως προς την ποσότητα και την κατανομή του εκπεμπόμενου φωτός σε σχέση με τις συμβατικές ενισχυτικές πινακίδες, κάτω απ’ τις ίδιες πειραματικές συνθήκες (π.χ. ενέργεια ακτίνων-χ, πάχος ενισχυτικής πινακίδας).