Detector de raios X - X-ray detector
Os detectores de raios-X são dispositivos usados para medir o fluxo , distribuição espacial , espectro e / ou outras propriedades dos raios-X .
Os detectores podem ser divididos em duas categorias principais: detectores de imagem (como placas fotográficas e filme de raios-X (filme fotográfico ), agora substituídos principalmente por vários dispositivos de digitalização , como placas de imagem ou detectores de tela plana ) e dispositivos de medição de dose (como câmaras de ionização , Contadores Geiger e dosímetros usados para medir a exposição à radiação local , dose e / ou taxa de dose, por exemplo, para verificar se os equipamentos e procedimentos de proteção contra radiação são eficazes em uma base contínua).
Imagem de raios-x
Para obter uma imagem com qualquer tipo de detector de imagem, a parte do paciente a ser radiografada é colocada entre a fonte de raios-X e o receptor de imagem para produzir uma sombra da estrutura interna daquela parte específica do corpo. Os raios X são parcialmente bloqueados ("atenuados") por tecidos densos, como o osso, e passam mais facilmente pelos tecidos moles. As áreas onde os raios X atingem escurecem quando desenvolvidas, fazendo com que os ossos pareçam mais claros do que o tecido mole circundante.
Compostos de contraste contendo bário ou iodo , que são radiopacos , podem ser ingeridos no trato gastrointestinal (bário) ou injetados na artéria ou veias para destacar esses vasos. Os compostos de contraste têm elementos de numeração atômica alta que (como o osso) essencialmente bloqueiam os raios X e, portanto, o órgão ou vaso oco pode ser visto mais facilmente. Na busca por materiais de contraste não tóxicos, muitos tipos de elementos de alto número atômico foram avaliados. Infelizmente, alguns elementos escolhidos provaram ser prejudiciais - por exemplo, o tório já foi usado como meio de contraste ( Thorotrast ) - que se revelou tóxico, causando uma incidência muito alta de câncer décadas após o uso. O material de contraste moderno melhorou e, embora não haja como determinar quem pode ter sensibilidade ao contraste, a incidência de reações alérgicas graves é baixa.
Filme de raio x
Mecanismo
O filme típico de raios-X contém "grãos" de cristal de haleto de prata , normalmente principalmente brometo de prata . O tamanho e a composição do grão podem ser ajustados para afetar as propriedades do filme, por exemplo, para melhorar a resolução na imagem revelada. Quando o filme é exposto à radiação, o haleto é ionizado e os elétrons livres ficam presos nos defeitos do cristal (formando uma imagem latente ). Os íons de prata são atraídos por esses defeitos e reduzidos , criando aglomerados de átomos de prata transparentes . No processo de revelação, eles são convertidos em átomos de prata opacos que formam a imagem visível, mais escura onde a maior parte da radiação foi detectada. Etapas de desenvolvimento posteriores estabilizam os grãos sensibilizados e removem os grãos não sensibilizados para evitar maior exposição (por exemplo, da luz visível ).
Substituição
As primeiras radiografias (imagens radiográficas) foram feitas pela ação dos raios X em placas fotográficas de vidro sensibilizadas. O filme de raios X (filme fotográfico) logo substituiu as placas de vidro, e o filme tem sido usado por décadas para adquirir (e exibir) imagens médicas e industriais. Gradualmente, os computadores digitais ganharam a capacidade de armazenar e exibir dados suficientes para possibilitar a geração de imagens digitais. Desde a década de 1990, a radiografia computadorizada e a radiografia digital têm substituído o filme fotográfico em aplicações médicas e odontológicas, embora a tecnologia de filme continue sendo amplamente utilizada em processos de radiografia industrial (por exemplo, para inspecionar costuras soldadas). O metal prata (anteriormente necessário para as indústrias radiográfica e fotográfica) é um recurso não renovável, embora a prata possa ser facilmente recuperada de um filme de raios-X usado. Onde os filmes de raios-X exigem instalações de processamento úmido, as tecnologias digitais mais recentes não. O arquivamento digital de imagens também economiza espaço de armazenamento físico.
Fósforos fotoestimuláveis
A radiografia de placa de fósforo é um método de registro de raios-X usando luminescência fotoestimulada (PSL), lançado por Fuji na década de 1980. Uma placa de fósforo fotoestimulável (PSP) é usada no lugar da placa fotográfica. Depois que a placa é radiografada, os elétrons excitados no material de fósforo permanecem 'presos' em ' centros de cor ' na estrutura do cristal até que sejam estimulados por um feixe de laser passado sobre a superfície da placa. A luz emitida durante a estimulação do laser é coletada por um tubo fotomultiplicador , e o sinal resultante é convertido em uma imagem digital pela tecnologia do computador. A placa PSP pode ser reutilizada e o equipamento de raio-X existente não requer modificações para usá-lo. A técnica também pode ser conhecida como radiografia computadorizada (CR).
Intensificadores de imagem
Os raios X também são usados em procedimentos em "tempo real", como angiografia ou estudos de contraste de órgãos ocos (por exemplo, enema de bário do intestino delgado ou grosso) usando fluoroscopia . A angioplastia , intervenções médicas do sistema arterial, depende fortemente do contraste sensível aos raios X para identificar lesões potencialmente tratáveis.
Detectores de semicondutores
Os detectores de estado sólido usam semicondutores para detectar raios-x. Os detectores digitais diretos são assim chamados porque convertem diretamente os fótons de raios-X em carga elétrica e, portanto, em uma imagem digital. Os sistemas indiretos podem ter etapas intermediárias, por exemplo, primeiro a conversão de fótons de raios-X em luz visível e, em seguida, um sinal eletrônico. Ambos os sistemas normalmente usam transistores de filme fino para ler e converter o sinal eletrônico em uma imagem digital. Ao contrário do filme ou CR, nenhuma etapa de digitalização ou revelação manual é necessária para obter uma imagem digital e, portanto, nesse sentido, os dois sistemas são "diretos". Ambos os tipos de sistema têm eficiência quântica consideravelmente maior do que CR.
Detectores diretos
Desde a década de 1970, detectores semicondutores de silício ou germânio dopados com lítio (Si (Li) ou Ge (Li)) têm sido desenvolvidos. Os fótons de raios-X são convertidos em pares de elétron-buraco no semicondutor e são coletados para detectar os raios-X. Quando a temperatura está baixa o suficiente (o detector é resfriado pelo efeito Peltier ou mesmo por nitrogênio líquido mais frio ), é possível determinar diretamente o espectro de energia dos raios-X; este método é denominado espectroscopia de raios-X de dispersão de energia (EDX ou EDS); é freqüentemente usado em pequenos espectrômetros de fluorescência de raios-X . Os detectores de desvio de silício (SDDs), produzidos pela fabricação de semicondutores convencionais , fornecem uma medição de radiação de alto poder de resolução e econômica. Ao contrário dos detectores de raios X convencionais, como Si (Li), eles não precisam ser resfriados com nitrogênio líquido. Esses detectores raramente são usados para geração de imagens e são eficientes apenas em baixas energias.
A aplicação prática em imagens médicas começou no início dos anos 2000. O selênio amorfo é usado em detectores comerciais de raios-X de grande área plana para mamografia e radiografia geral devido à sua alta resolução espacial e propriedades de absorção de raios-X. No entanto, o baixo número atômico do selênio significa que uma camada espessa é necessária para atingir a sensibilidade suficiente.
Telureto de cádmio ( Cd Te ), e sua liga com zinco , telureto de cádmio zinco , é considerado um dos materiais semicondutores mais promissores para detecção de raios X devido ao seu amplo gap e alto número quântico resultando em operação em temperatura ambiente com alta eficiência . As aplicações atuais incluem densitometria óssea e SPECT, mas os detectores de tela plana adequados para imagens radiográficas ainda não estão em produção. Pesquisa e desenvolvimento atual é centrada em torno de resolução de energia detectores de pixels , como o CERN 's Medipix detector e Ciência e Tecnologia Conselho Instalações de HEXITEC detector.
Diodos semicondutores comuns , como fotodiodos PIN ou 1N4007 , produzirão uma pequena quantidade de corrente no modo fotovoltaico quando colocados em um feixe de raios-X.
Detectores indiretos
Os detectores indiretos são constituídos por um cintilador para converter os raios X em luz visível, que é lida por uma matriz TFT. Isso pode fornecer vantagens de sensibilidade em relação aos detectores diretos de corrente (selênio amorfo), embora com uma compensação potencial na resolução. Os detectores indiretos de tela plana (FPDs) são amplamente utilizados atualmente em aplicações médicas, odontológicas, veterinárias e industriais.
A matriz TFT consiste em uma folha de vidro coberta com uma fina camada de silício que está em um estado amorfo ou desordenado. Em uma escala microscópica, o silício foi impresso com milhões de transistores dispostos em uma matriz altamente ordenada, como a grade em uma folha de papel milimetrado. Cada um desses transistores de filme fino (TFTs) é ligado a um fotodiodo que absorve luz, formando um pixel individual (elemento de imagem). Os fótons que atingem o fotodiodo são convertidos em dois portadores de carga elétrica , chamados pares elétron-buraco. Como o número de portadores de carga produzidos varia com a intensidade dos fótons de luz que chegam, é criado um padrão elétrico que pode ser rapidamente convertido em voltagem e, em seguida, em um sinal digital, que é interpretado por um computador para produzir uma imagem digital. Embora o silício tenha excelentes propriedades eletrônicas, ele não é um absorvedor particularmente bom de fótons de raios-X. Por esta razão, os raios X incidem primeiro nos cintiladores feitos de materiais como o oxissulfeto de gadolínio ou o iodeto de césio . O cintilador absorve os raios X e os converte em fótons de luz visível que passam para a matriz de fotodiodo.
Medição de dose
Detectores de gás
Os raios X que atravessam um gás irão ionizá- lo, produzindo íons positivos e elétrons livres . Um fóton que chega criará um número desses pares de íons proporcionais à sua energia. Se houver um campo elétrico na câmara de gás, os íons e os elétrons se moverão em direções diferentes e, assim, causarão uma corrente detectável . O comportamento do gás dependerá da voltagem aplicada e da geometria da câmara. Isso dá origem a alguns tipos diferentes de detectores de gás descritos abaixo.
As câmaras de ionização usam um campo elétrico relativamente baixo de cerca de 100 V / cm para extrair todos os íons e elétrons antes de se recombinarem. Isso fornece uma corrente constante proporcional à taxa de dosagem à qual o gás é exposto. As câmaras de íons são amplamente utilizadas como medidores portáteis de pesquisa de radiação para verificar os níveis de dose de radiação.
Os contadores proporcionais usam uma geometria com um fio anódico fino carregado positivamente no centro de uma câmara cilíndrica. A maior parte do volume do gás atuará como uma câmara de ionização, mas na região mais próxima ao fio o campo elétrico é alto o suficiente para fazer os elétrons ionizarem as moléculas do gás. Isso criará um efeito de avalanche, aumentando significativamente o sinal de saída. Como cada elétron causa uma avalanche de aproximadamente o mesmo tamanho, a carga coletada é proporcional ao número de pares de íons criados pelo raio-x absorvido. Isso torna possível medir a energia de cada fóton que chega.
Os contadores Geiger-Müller usam um campo elétrico ainda mais alto para que os fótons UV sejam criados. Isso inicia novas avalanches, resultando em uma ionização total do gás ao redor do fio do ânodo. Isso torna o sinal muito forte, mas causa um tempo morto após cada evento e torna impossível medir as energias de raios-X.
Os detectores de gás são geralmente detectores de pixel único medindo apenas a taxa de dose média sobre o volume do gás ou o número de fótons interagindo como explicado acima, mas eles podem ser resolvidos espacialmente por terem muitos fios cruzados em uma câmara de fios .
Células solares de silício PN
Foi demonstrado na década de 1960 que as células solares PN de silício são adequadas para a detecção de todas as formas de radiação ionizante, incluindo ultravioleta extrema , raios X suaves e raios X duros. Essa forma de detecção opera via fotoionização , um processo em que a radiação ionizante atinge um átomo e libera um elétron livre. Este tipo de sensor de radiação ionizante de banda larga requer uma célula solar, um amperímetro e um filtro de luz visível no topo da célula solar que permite que a radiação ionizante atinja a célula solar enquanto bloqueia comprimentos de onda indesejados.
Filme radiocrômico
O filme radiocrômico de autodesenvolvimento pode fornecer medições de resolução muito alta, para fins de dosimetria e perfis, particularmente em física de radioterapia.