Evaluation of digital X-ray detectors for medical imaging applications

Abstract

Digital x-ray detectors are now the detector of choice in many X-ray examinations. They have been accepted into clinical practice over the past decade but there are still ongoing developments in the technology. Complementary metal oxide semiconductor (CMOS) active pixel sensors (APS) are a novel digital technology that offers advantages compared to some of the more established approaches (charge-coupled devices (CCD), thin film transistor arrays (TFT) and CMOS passive pixel sensors (PPS)). This thesis looks at the performance of these new sensors and attempts to identify their role in future medical imaging applications.Standard electro-optical and x-ray performance evaluations of two novel CMOS APS, namely the Large Area Sensor (LAS) and Dexela CMOS x-ray detector, are presented. The evaluation was made in terms of the photon transfer curve (PTC), the modulation transfer function (MTF), the normalized noise power spectrum (NNPS) and the resultant detective quantum efficiency (DQE). Modifications were introduced to extend the standard methods to overcome technical limitations. The performance of these detectors was compared to three commercial systems (Remote RadEye HR (CMOS APS), Hamamatsu C9732DK (CMOS PPS) and Anrad SMAM (a-Se TFT)) at beam qualities (28 kV for mammography and 52 kV and 74 kV for general radiography) based on the IEC standards. Both the LAS and Dexela CMOS detectors demonstrate enhanced performance. The effect of the CMOS APS inherent nonlinearity on the x-ray performance was also evaluated. Finally, the measured performance parameters were used to simulate images for different mammographic imaging tasks in order to establish possible areas of application for the new sensors. Two software phantoms (one representing a 3-D breast and the other the CDMAM test tool) were used to simulate a range of mammographic conditions. The results show that both novel CMOS APS detectors offer high image quality compared to the commercial detector systems.

Οι ψηφιακοί ανιχνευτές ακτίνων Χ είναι πλέον διαδεδομένοι σε αρκετές εξετάσεις με ακτίνες Χ. Άρχισαν να χρησιμοποιούνται στην κλινική ιατρική την τελευταία δεκαετία αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν συνεχείς εξελίξεις στην τεχνολογία. Η τεχνολογία συμπληρωματικών ημιαγωγών μεταλλικού οξειδίου (complementary metal oxide semiconductor - CMOS) με αισθητήρα ενεργού εικονοστοιχείου (active pixel sensor - APS) είναι μια νέα ψηφιακή τεχνολογία που προσφέρει πλεονεκτήματα σε σύγκριση με μερικές από τις πιο καθιερωμένες τεχνολογίες (π.χ. α) συσκευές συζευγμένου φορτίου (charge-coupled devices - CCD), β) ανιχνευτές με τρανζίστορ λεπτών υμενίων (thin film transistor - TFT) και γ) CMOS με αισθητήρα παθητικού εικονοστοιχείου (passive pixel sensor - PPS)). Η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή εξετάζει την απόδοση των ψηφιακών ανιχνευτών νέας τεχνολογίας και επιχειρεί να προσδιορίσει το ρόλο τους σε μελλοντικές εφαρμογές ιατρικής απεικόνισης.Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται αξιολογήσεις (με χρήση ορατών φωτονίων και ακτίνων Χ) απόδοσης δύο νέων ανιχνευτών CMOS APS, ονομαστικά Large Area Sensor (LAS) και Dexela CMOS x-ray detector. Η αξιολόγηση έγινε χρησιμοποιώντας τις παρακάτω τεχνικές: α) καμπύλη μεταφοράς φωτονίων (photon transfer curve - PTC), β) συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (modulation transfer function - MTF), γ) κανονικοποιημένο φάσμα ισχύος θορύβου (normalized noise power spectrum - NNPS) και δ) ανιχνευτική κβαντική αποδοτικότητα (detective quantum efficiency - DQE). Έγιναν κάποιες τροποποιήσεις ώστε να επεκταθούν οι υπάρχουσες τεχνικές με σκοπό την εξάλειψη τεχνικών περιορισμών. Η απόδοση των δύο νέων ψηφιακών ανιχνευτών συγκρίθηκε με τρία εμπορικά συστήματα ψηφιακών ανιχνευτών (α) Remote HR RadEye (CMOS APS), β) Hamamatsu C9732DK (CMOS PPS) και γ) Anrad SMAM (a-Se TFT)) σε τρία φάσματα ακτίνων Χ (28 kV για μαστογραφία και 52 kV και 74 kV για γενική ακτινοδιαγνωστική) με βάση τα πρότυπα της Διεθνούς Ηλεκτροτεχνικής Επιτροπής (International Electrotechnical Commission - ΙEC). Αμφότεροι οι νέοι ψηφιακοί ανιχνευτές παρουσιάζουν υψηλή απόδοση. Επίσης αξιολογήθηκε το φαινόμενο της ενδογενούς μη-γραμμικής μεταφοράς σήματος και θορύβου των ανιχνευτών CMOS APS.Τέλος, οι πειραματικά μετρημένες παράμετροι απόδοσης των ψηφιακών ανιχνευτών χρησιμοποιήθηκαν για να προσομοιώσουν εικόνες σε συνθήκες μαστογραφίας με σκοπό να διαπιστωθούν πιθανές εφαρμογές ιατρικής απεικόνισης για τους δύο νέους ψηφιακοί ανιχνευτές. Δύο ψηφιακά ομοιώματα (το ένα αντιπροσωπεύει ένα τρισδιάστατο μοντέλο μαστού και το άλλο το εργαλείο δοκιμής CDMAM) χρησιμοποιήθηκαν για να προσομοιώσουν διάφορες μαστογραφικές συνθήκες. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι αμφότεροι οι νέοι ανιχνευτές CMOS APS προσφέρουν υψηλή ποιότητα εικόνας σε σύγκριση με τα εμπορικά συστήματα ανιχνευτών.