Μελέτη ψηφιακού ανιχνευτή μαστογραφίας με τη χρήση γραμμικών συστημάτων

Βάσιος, Ιάσωνας

Studying a digital mammographic detector by means of linear system theory

Διπλωματική εργασία

Author

Βάσιος, Ιάσωνας

Date

2023-03-01

Advisor

Kalyvas, Nektarios

Διπλωματική εργασία (1.728Mb)

Keywords

Μαστογραφία ; Θεωρία γραμμικών συστημάτων ; Ανιχνευτής ακτίνων Χ ; Mammography ; Theory of linear systems ; X-ray detector

Abstract

Η παρούσα εργασία έχει ως σκοπό την θεωρητική μελέτη ενός ανιχνευτή ακτίνων-Χ μαστογραφίας άμεσης ανίχνευσης με τη χρήση της θεωρίας γραμμικών συστημάτων για τη μοντελοποίηση του. Ο βασικός κορμός του μοντέλου στηρίχθηκε σε προ υπάρχουσα μελέτη αλλά έγινε προσθήκη επιπλέον στοιχείων. Τα στοιχεία αυτά αφορούν την ανάλυση της απόδοσης τεσσάρων ημιαγωγών (άμορφο Σελήνιο a-Se, Πυρίτιο Si, Γερμάνιο Ge, Αρσενιούχο γάλλιο GaAs) κάτω από διαφορετικές συνθήκες όσον αφορά το πάχος του ημιαγωγού, το ηλεκτρικό πεδίου στον ανιχνευτή, τον ηλεκτρονικό θόρυβο και την δόση της ακτινοβολίας με τον υπολογισμό των παραμέτρων της χωρικής διακριτικής ικανότητας (MTF), του κανονικοποιημένου φάσματος ισχύος θορύβου (NNPS) και του συντελεστή ανιχνευτικής κβαντικής αποδοτικότητας (DQE). Αρχικά έγινε αναφορά στις ιοντίζουσες ακτινοβολίες εστιάζοντας στις ακτίνες-Χ και τους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης τους με την ύλη. Στη συνέχεια παρουσιάστηκε η χρήση των ακτίνων-Χ στην απεικόνιση του μαστού, με ανάλυση της ανατομίας του και των δυσκολιών που παρουσιάζει η απεικόνιση του και η βασική οργανολογία ενός μαστογράφου (πηγή ακτίνων-Χ, πίεστρο μαστού). Αναλυτικότερη αναφορά έγινε στους ανιχνευτές ακτίνων-Χ ως προς τον τρόπο λειτουργίας τους και το διαχωρισμό τους σύμφωνα με τον τρόπο δημιουργίας της ιατρικής εικόνας. Τέλος αναλύθηκαν οι παράμετροι που σχετίζονται με την ποιότητα εικόνας-ανιχνευτή. Ακολούθως παρουσιάστηκε η θεωρία των γραμμικών συστημάτων που αποτελεί το βασικό εργαλείο μοντελοποίησης των διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό του ανιχνευτή με τη βοήθεια της γλώσσας προγραμματισμού MATLAB για την δημιουργία κώδικα. Ακολούθησε αναλυτική περιγραφή του μαθηματικού μοντέλου και όλων των δεδομένων που αξιοποιήθηκαν για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα των υπολογισμών με γραφικές παραστάσεις των MTF, NNPS και DQE για κάθε ένα από τους 4 ημιαγωγούς στο ανάλογο σενάριο με εξαίρεση τις περιπτώσεις του ηλεκτρονικού θορύβου και της δόσης όπου παρουσιάζονται μόνο τα αποτελέσματα για το άμορφο σελήνιο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αύξηση του πάχους του ημιαγωγού οδηγεί σε βελτίωση της απόδοσης του ανιχνευτή, αύξηση του DQE, με κάποια μείωση του MTF. H αύξηση του ηλεκτρικού πεδίου του ανιχνευτή επηρεάζει μόνο τον ημιαγωγό του a-Se βελτιώνοντας την απόδοση του. Σχετικά με τον ηλεκτρονικό θόρυβο η αύξηση του αυξάνει τον συνολικό θόρυβο χωρίς να επηρεάζει την διακριτική ικανότητα του ανιχνευτή ενώ η αύξηση της δόσης αυξάνει την απόδοση με μείωση του NNPS και αύξηση του DQE εις βάρος όμως του ασθενή λόγο της αυξανόμενης δόσης που λαμβάνει.

Abstract

The purpose of this work is the theoretical study of a direct detection X-ray mammography detector using the theory of linear systems for its modeling. The main body of the model was based on a pre-existing study but additional elements were added. These data concern the performance analysis of four semiconductors (amorphous Selenium a-Se, Silicon Si, Germanium Ge, Gallium Arsenide GaAs) under different conditions in terms of semiconductor thickness, detector electric field, electronic noise and radiation dose by calculating the spatial resolution (MTF), normalized noise power spectrum (NNPS) and detective quantum efficiency (DQE) parameters. Initially reference was made to ionizing radiation focusing on X-rays and their interaction mechanisms with matter. Then the use of X-rays in the imaging of the breast was presented, with an analysis of its anatomy and the difficulties presented by its imaging and the basic organology of a mammographer (X-ray source, breast presser). More detailed reference was made to X-ray detectors in terms of their operation and their separation according to the way the medical image is created. Finally, the parameters related to the image-detector quality were analyzed. Following, the theory of linear systems was presented, which is the basic tool for modeling the processes that take place inside the detector with the help of the MATLAB programming language for creating the code. This was followed by a detailed description of the mathematical model and all the data used to derive the results. In the last part of the paper, the results of the calculations were presented with graphical representations of MTF, NNPS and DQE for each of the 4 semiconductors in the analogous scenario with the exception of the cases of electronic noise and dose where only the results for amorphous selenium are presented. The results showed that increasing the semiconductor thickness leads to an improvement in detector performance, an increase in DQE, with some reduction in MTF. Increasing the electric field of the detector affects only the a-Se semiconductor improving its performance. Regarding the electronic noise, increasing it increases the overall noise without affecting the resolution of the detector while increasing the dose increases the performance by decreasing the NNPS and increasing the DQE at the expense of the patient due to the increasing dose he receives.