Department of Science and Technology Institutionen för teknik och naturvetenskap
Linköpings Universitet Linköpings Universitet
SE-601 74 Norrköping, Sweden 601 74 Norrköping
C-uppsats
LITH-ITN-EX--05/014--SE
Implementering och
utvärdering av en
röntgendetektor för mätning av
benskörhet
Markus Andersson
2005-06-09
LITH-ITN-EX--05/014--SE
Implementering och
utvärdering av en
röntgendetektor för mätning av
benskörhet
Examensarbete utfört i mätteknik
vid Linköpings Tekniska Högskola, Campus
Norrköping
Markus Andersson
Handledare Fredrik Danielsson
Examinator Carl-Magnus Erzell
Rapporttyp Report category Examensarbete B-uppsats C-uppsats D-uppsats _ ________________ Språk Language Svenska/Swedish Engelska/English _ ________________ Titel Title Författare Author Sammanfattning Abstract ISBN _____________________________________________________ ISRN _________________________________________________________________
Serietitel och serienummer ISSN
Title of series, numbering ___________________________________
Nyckelord
Keyword
Datum
Date
URL för elektronisk version
Avdelning, Institution
Division, Department
Institutionen för teknik och naturvetenskap Department of Science and Technology
2005-06-09
x
x
LITH-ITN-EX--05/014--SE
http://www.ep.liu.se/exjobb/itn/2005/de/014/
Implementering och utvärdering av en röntgendetektor för mätning av benskörhet
Markus Andersson
Examensarbetet är utfört på Demetech AB, Solna och går ut på att implementera en ny röntgendetektor i en befintlig bentäthetsmätare, DXL Calscan. Mätaren används för att upptäcka sjukdomen osteoporos, även kallad benskörhet, genom att mäta bentätheten i hälbenet med hjälp av två röntgenenerginivåer och laser. I rapporten beskrivs osteoporos, röntgenstrålning och mätaren närmare.
Hårdvara i form av ett nytt kretskort har konstruerats och tillverkats för att passa den nya
röntgendetektorn. En grundlig utvärdering över hur den nya röntgendetektorn beter sig i systemet har gjorts, där mätningar har utförts med ett flertal olika detektorer för jämförelser. Det har gjorts
beräkningar och grafer med hjälp av Matlab utifrån de mätdata som samlats in. Utvärderingen har visat att den nya detektorn är bättre än dess föregångare och rekommendationen blir att byta till den nya.
Upphovsrätt
Detta dokument hålls tillgängligt på Internet – eller dess framtida ersättare –
under en längre tid från publiceringsdatum under förutsättning att inga
extra-ordinära omständigheter uppstår.
Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner,
skriva ut enstaka kopior för enskilt bruk och att använda det oförändrat för
ickekommersiell forskning och för undervisning. Överföring av upphovsrätten
vid en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan användning av
dokumentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten,
säkerheten och tillgängligheten finns det lösningar av teknisk och administrativ
art.
Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman i
den omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovan
beskrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådan
form eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsmannens litterära
eller konstnärliga anseende eller egenart.
För ytterligare information om Linköping University Electronic Press se
förlagets hemsida
http://www.ep.liu.se/
Copyright
The publishers will keep this document online on the Internet - or its possible
replacement - for a considerable time from the date of publication barring
exceptional circumstances.
The online availability of the document implies a permanent permission for
anyone to read, to download, to print out single copies for your own use and to
use it unchanged for any non-commercial research and educational purpose.
Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses
of the document are conditional on the consent of the copyright owner. The
publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity,
security and accessibility.
According to intellectual property law the author has the right to be
mentioned when his/her work is accessed as described above and to be protected
against infringement.
For additional information about the Linköping University Electronic Press
and its procedures for publication and for assurance of document integrity,
please refer to its WWW home page:
http://www.ep.liu.se/
Implementering och utvärdering av en
röntgendetektor för mätning av
benskörhet
Markus Andersson
iii
Sammanfattning
Examensarbetet är utfört på Demetech AB, Solna och går ut på att implementera en ny röntgendetektor i en befintlig bentäthetsmätare, DXL Calscan. Mätaren används för att upptäcka sjukdomen osteoporos, även kallad benskörhet, genom att mäta bentätheten i hälbenet med hjälp av två röntgenenerginivåer och laser. I rapporten beskrivs osteoporos, röntgenstrålning och mätaren närmare.
Hårdvara i form av ett nytt kretskort har konstruerats och tillverkats för att passa den nya röntgendetektorn. En grundlig utvärdering över hur den nya röntgendetektorn beter sig i systemet har gjorts, där mätningar har utförts med ett flertal olika detektorer för jämförelser. Det har gjorts beräkningar och grafer med hjälp av Matlab utifrån de mätdata som samlats in. Utvärderingen har visat att den nya detektorn är bättre än dess föregångare och rekommendationen blir att byta till den nya.
v
Abstract
The thesis has been performed at Demetech AB in Solna and the goal was to implement a new X-ray detector in an existing bone densitometer, DXL Calscan. This device is used to find osteoporoses, through measurements of bone mineral density in the calcaneus’s, by using two levels of x-ray energies and laser. Osteoporoses, X-ray radiation and DXL Calscan are described closer in this report.
A new circuit board have been constructed and produced to fit this new X-ray detector. A solid evaluation in how this X-ray detector behave in the system have been made. Measurements have been performed with several kinds of X-ray detectors with the goal to compare them. Calculations and graphs have been made with Matlab from the measurement data that have been collected. The new X-ray detector has shown to be better than its precursor. Therefore the recommendation is to change to the new one.
vii
Förord
Denna rapport är ett examensarbete på C-nivå inom ämnesområdet elektronik med inriktning mot mätteknik. Det omfattar 10 poäng för min examinering till högskoleingenjör inom data- och elektronteknik 120 poäng. Jag vill passa på att tacka några som har hjälpt mig att genomföra detta examensarbete. Ett stort tack till Carl-Magnus Erzell (ITN), Fredrik Danielsson (Demetech), Anders Ullberg (Demetech) och Demetech som företag och alla dess medarbetare.
ix
Innehållsförteckning
1 Inledning 1 1.1 Bakgrund ...1 1.2 Syfte ...1 1.3 Struktur ...1 1.4 Avgränsningar ...12 Osteoporos och röntgen 3 2.1 Osteoporos...3
2.2 Röntgenstrålning ...3
3 Beskrivning av DXL Calscan 5 3.1 En mätning med DXL Calscan...5
3.2 Teknisk beskrivning ...6 3.2.1 Processor...7 3.2.2 ADC-kort ...7 3.2.3 Offset ...7 4 Röntgendetektorer 9 4.1 S6494-128 och S6494-128 HD...9 4.2 S8866-128G...10 5 Konstruktion av ADC-kort 11 5.1 Styrning och avläsning av detektor ...11
5.2 Behandling av videosignal ...11 5.3 ADC-kort för detektor S8866 ...12 5.3.1 Design ...12 5.3.2 Komponenter ...12 5.3.3 Mönsterkortslayout...13 5.3.4 Montering...13 6 Mätningar 15 6.1 Kalibreringsprogram...15 6.2 Testmätning...15 6.2.1 Totala offsetmätningar...16 6.2.2 Röntgenmätningar ...16
6.3 Mätningar för att visa stegmotorpåverkan ...17
7 Utvärdering 19 7.1 Inläsning av mätvärden...19
7.1.1 Mätdata...19
7.1.2 Matlab ...20
7.2 Utredning av offset...20
7.2.1 Max och min mellan punkter (offset) ...20
7.2.2 Medel av detektorns punkter (offset)...21
7.3 Standardavvikelse på enskild punkt (offset) ...22
7.4 Stegmotorpåverkan (offset)...23
7.5 Linjäritet mot röntgen ...24
x
7.6.1 Känslighetsförbättring (utan röntgen)... 26
7.6.2 Känslighetsförbättring (utan röntgen, oförstärkt)... 26
7.7 Standardavvikelse på röntgenvärden i aluminiumtrappan ... 26
8 Diskussion och Slutsats 29 8.1 Detektor S6494 HD... 29
8.2 Detektor S8866... 29
8.3 Framtida arbete ... 29
8.4 Rekommendation... 30
Referenser 31
Appendix A ADC-kort för S8866 A-1
A.1 Kretskortslayout...A-1 A.2 Kopplingsschema...A-3 A.3 Komponentlista ...A-4 A.4 Foton ...A-5
Appendix B Bild av kalibreringsprogram B-1
B.1 Kalibreringsprogram ... B-1 B.2 Långtidstest... B-1 B.3 Dataanalys... B-2
Appendix C Mätdata lista C-1
Appendix D Källkod matlab D-1
D.1 calcMeanEnergy.m...D-1 D.2 calcMeanSTD.m...D-2 D.3 calcMeanSTD_STEP.m ...D-3 D.4 calcTan.m ...D-3 D.5 findBreakPos.m ...D-3 D.6 getStairValues.m ...D-4 D.7 getStairValuesSTD.m...D-4 D.8 plot_offset_utseende_efter_tid.m ...D-6 D.9 plot_tidsberoende_STD_av_offset.m ...D-6 D.10plot_total_offset.m ...D-7 D.11plot_xray_utseende_efter_tid.m ...D-8 D.12readOffsetData.m...D-9 D.13readStairData.m...D-10 Appendix E Källkod i C, avbrott för detektoravläsning E-1
Appendix F Grafer F-1
F.1 Totaloffset stegmotor avslagen ...F-1 F.2 Tabell över standardavvikelser, stegmotor avslagen ...F-5 F.3 Standardavvikelse av aluminiumtrappa ...F-7 F.4 Standardavvikelser för alla tjocklekar på aluminiumtrappa...F-8 F.5 Totaloffset då stegmotor är av och på...F-10 F.6 Tabell över standardavvikelse totaloffset då stegmotor är på och av...F-11 Appendix G Lutningskoeff., R-kvadrat och känslighet G-1
xi
Figurförteckning
Figur 1 – Mätning med DXL Calscan. ...5
Figur 2 – DXL Calscan Workstation. ...6
Figur 3 – DXL Calscan komponenter. ...6
Figur 4 – Blockschema över kommunikation med ADC-kort. ...7
Figur 5 – Detektor S6494-128...9
Figur 6 – Detektor S8866-128G...10
Figur 7 – Differentialförstärkare. ...12
Figur 8 – ADC-kort för S8866. ...13
Figur 9 – Aluminiumtrappa med plexiskivor sedd uppifrån och snett från sidan. ....16
Figur 10 – Röntgenbild av aluminiumtrappan med plexiskivor...17
Figur 11 – Mätdatastruktur...19
Figur 12 – Offsetskillnad mellan S8866 och S6494...21
Figur 13 – Tio stycken totala offsetmätningar i följd. ...21
Figur 14 – Tidsberoende standardavvikelse av offset. ...22
Figur 15 – Tidsberoende STD av offset med stegmotor på och av...23
Figur 16 – Standardavvikelse av aluminiumtrappan. ...27
Tabellförteckning
Tabell 1 – Ben konfiguration på S8866. ...10Tabell 2 – Detektorer som användes vid offset- och röntgenmätningarna...16
Tabell 3 – Detektorer som användes för att visa stegmotorpåverkan. ...17
Tabell 4 – Mätdatafiler från en mätning. ...19
Tabell 5 – Mätordning och antal steg för varje delmätning. ...20
Tabell 6 – Medel av standardavvikelser vid de totala offsetmätningarna...23
Tabell 7 – Medel av standardavvikelser, totala offsetmätningarna, stegmotor på...24
Tabell 8 – Exempel på mätvärden av aluminiumtrappan...24
Tabell 9 - Lutningskoefficienter och R-kvadratvärden för alla detektorer. ...25
xii
Ordförklaringar
ADC-kort Analog Digital Converter kort, där detektorn är monterad BMD Bone Mineral Density, bentäthet
CAD Computer Aided Design
Dark state Då detektorn är i sitt mörkaste tillstånd
DXA Dual X-ray Absorptiometry
DXL Dual X-ray and Laser
Offset Mätning utan röntgen
PDA Photo-Diode Array
PCB Printed Circuit Board, mösterkort
Punkt Detektorn består av 128 punkter eller pixlar RS232 Serielltgränssnitt för data överföring
Saturation state Då detektorn är i sitt ljusaste tillstånd STD Standard Deviation, standardavvikelse
Steg Ett mätsteg är ett mätvärde från varje punkt i detektorn Totaloffset Offset genom hela mätningen (används bara vid tester)
1
1 Inledning
Osteoporos eller benskörhet är en sjukdom som drabbar många i Sverige, många vet dock inte om att de är drabbade. Genom att mäta patientens bentäthet kan sjukdomen upptäckas i tid och därmed finns möjligheten att ge dem behandling i form av mediciner och ändrade kostvanor. Det finns flera sätt att mäta bentäthet, den vanligaste är DXA, Dual X-ray Absorptiometry, men det finns andra sätt.
1.1 Bakgrund
Demetech AB har utvecklat en mätare för att mäta bendensitet på hälbenet hos människor. Vid mätning beräknas ett BMD värde, Bone Mineral Density, som jämförs mot en normalfördelning av andra människor i samma ålder och kön. Benets densitet är en, av minst två, så kallade riskfaktorer som en läkare använder för att diagnostisera patienter med benskörhet eller osteoporos. Mätaren benämns DXL Calscan, där DXL är en förkortning för Dual X-ray and laser. DXL är en patenterad teknologi utvecklad av Demetech AB, den har likheter med DXA genom att de använder två olika röntgenenergier. DXL mäter även tjockleken på hälen med hjälp av laser vilket gör att den får en bättre noggrannhet. DXL Calscan är en flyttbar mätare som används på sjukhus-, vårdcentral- och privatläkarmottagningar.
1.2 Syfte
DXL Calscan arbetar med en röntgenkälla och för att kunna detektera röntgen behövs en röntgendetektor. Detektorn som för närvarande används kommer att försvinna från marknaden på sikt, men tillverkaren (Hamamatsu, Japan) har tagit fram en ny detektor med liknande specifikation. Syftet med detta examensarbete är att utvärdera och jämföra den nya detektorn med nuvarande modell, för att sedan implementera den nya detektorn i systemet. Samtidigt kommer en annan variant av nuvarande modell att testas och även den jämföras mot de övriga detektorerna.
1.3 Struktur
Rapporten inleds med en beskrivning av mätaren och hur den används för att sedan gå in på teorin bakom mätaren. Efter denna genomgång fortsätter en identifiering av systemet med alla dess delar för att sedan gå igenom det kretskort som den gamla och nya detektorn monteras på. Sedan börjar mätningsfasen där alla detektorerna testas och sedan avslutas det med en utvärdering av dessa mätvärden. Efter utvärderingen kan sedan en slutsats dras om den nya detektorn kan användas i produktion.
1.4 Avgränsningar
De mätdata och slutsatser som görs i denna rapport är i vissa fall unika för detta system vilket göra att det kan se annorlunda ut om dessa detektorer används i en annan tillämpning och hårdvara.
3
2 Osteoporos och röntgen
DXL Calscan är som nämnts tidigare en mätare som med hjälp av röntgen mäter bentäthet i hälbenet för att kunna upptäcka osteoporos i tid.
2.1 Osteoporos
Osteoporos är en sjukdom som gör benen i kroppen så sköra att även en måttlig belastning kan ge upphov till ett benbrott. Denna åkomma kan en person ha i många år utan några besvär fram till det första benbrottet inträffar. Det är inte säkert att personen då får diagnosen osteoporos utan istället accepteras ofta den synliga orsaken till brottet, till exempel ett fall. Om benbrotten blir flera och utan någon direkt orsak till brotten, upptäcks oftast att benet blivit skört. Om personen istället haft möjlighet att mäta sin bentäthet innan några brott sket kunde mycket lidande och kostnader ha undvikits. En mätning med en bentäthetsmätare kan finna personer i riskzonen för osteoporos eller de som har sjukdomen redan innan ett brott sker. Därmed kan patienten få behandling i tid. En bentäthetsmätning kan även användas för att följa upp medicineringens verkan av osteoporos. Osteoporos är ett stort ämne och mer finns att läsa i [6].
2.2 Röntgenstrålning
Röntgenstrålning är en elektromagnetisk strålning och är därför av samma natur som radiovågor, ultraviolett strålning och synligt ljus. Det som skiljer röntgenstrålning från de övriga är dess förmåga att tränga igenom material. Detta beror på dess höga energi och korta våglängd. Förmågan att tränga igenom ett material är beroende av tre faktorer, strålningens energi, materialets atomnummer och materialets tjocklek. Ju högre energi röntgenstrålningen har desto mer material tränger den igenom. Höga atomnummer och tjocka material leder till sämre genomträngning. Dessa egenskaper används inom röntgendiagnostiken på många olika sätt. Det är enkelt att urskilja ben och mjukvävnad vilket används till exempel vid benbrott. Det finns även andra användningsområden och bentäthetsmätning är ett av dem.
Röntgenstrålning genereras i ett röntgenrör som är gjort i glas. Inne i röret är det en katod och en anod, dessa befinner sig i vakuum. Katoden hettas upp och frigör då elektroner. Om man då lägger en hög spänning mellan katod och anod så kommer elektroner accelereras från katoden mot anoden. När anoden träffas genereras röntgenstrålning. Energin bestäms av den spänning som ligger mellan katod och anod, mer att läsa om detta finns i [9]. I DXL Calscan används 35KV och 68KV. Det är dessa energinivåer som benämns som låg och hög energi.
5
3 Beskrivning av DXL Calscan
Demetechs mätare DXL Calscan är en unik mätare för bentäthetsmätning där DXL tekniken är egenutvecklad och patenterad.
3.1 En mätning med DXL Calscan
Vid mätning med DXL Calscan sitter patienten på en stol och placerar sin bara fot, höger eller vänster, i mätarens mätområde, se Figur 1. Mätningen startas från en vanlig persondator med Windows och styrprogrammet DXL Calscan Workstation installerat. Programmet skickar ett startkommando via ett seriellt RS232 gränssnitt till mätaren. Därefter påbörjas mätningen och mätdata skickas tillbaka till datorn fortlöpande.
Figur 1 – Mätning med DXL Calscan.
Själva mätningen är sedan uppdelad i tre mätomgångar där varje mätomgång utgör en åkning av röntgenröret och detektorn utmed hälbenet. Först sker en röntgenmätning med låg energi. På andra åkningen sker lasermätning för att beräkna tjockleken på foten. På sista och tredje åkningen sker en röntgenmätning med hög energi. Dessa tre åkningar gör att man får tre olika parametrar. Tre olika parametrar gör det möjligt att skilja ut vatten, fett och ben i hälen. En mätning tar cirka en minut att genomföra och resultatet presenteras på datorn direkt efter mätningen är klar. Från en mätning beräknas ett BMD värde som visas i ett diagram. I diagrammet visas en normalfördelningskurva för det aktuella könet och för olika åldrar, vilket gör det enkelt att se om patientens värde är normalt eller ej. Kroppens ben byggs upp fram till 25 års ålder och sedan blir sämre. I Figur 2 ses DXL Calscan Workstation med en mätning öppnad. Grafen i Figur 2 är över män uppmätta i Sverige.
6
Figur 2 – DXL Calscan Workstation.
Patientens läkare får ofta en utskrift av grafen och mätvärden som han eller hon använder i sin diagnos tillsammans med annan aktuell information om patienten.
3.2 Teknisk
beskrivning
De viktigaste delarna av mätaren visas i Figur 3 där höljet är borttaget. Röntgenkällan, lasertornen och detektorlådan rör sig i sidled genom drivning (en stegmotor). Denna förflyttning gör att en 2D-bild kan skapas med hjälp av röntgendetektorn. Lasertornen mäter endast tjockleken på en fast höjd i fotinsteget vilket ger en tjocklek på foten utmed en linje.
7
Detektorn har 1x128 mätpunkter och förflyttningen i x-led sker i totalt 90 steg och därmed skapas en matris av dessa 128x90 punkter. Detta sker när röntgenkällan strålar med låg energi (35kV) och när röntgenkällan strålar med hög energi (68kV). Lasermätningen sker även den i 90 steg under en sådan förflyttning men mätning sker då endast i en punkt. Detta innebär som beskrivet tidigare att det blir tre åkningar förbi hälen. För att komma tillbaka till utgångsläget görs även en fjärde åkning där inga mätningar sker.
3.2.1 Processor
I elektroniklådan finns processorkortet vilket styr hela mätaren och sköter kommunikation med datorn. Processorn är en Hitachi H8/532 vilken har en klockfrekvens på 10 MHz internt och programmeras med C-kod. I röntgendetektorlådan sitter ett analog till digitalomvandlingskort (ADC) vilket styrs från processorkortet via ett pararellt gränssnitt.
3.2.2 ADC-kort
ADC-kortet har två uppgifter, omvandla detektorns analoga signaler till digitala och omvandla lasermottagarnas analoga signaler till digitala. Detektorn och lasermottagarna använder samma AD-omvandlare MAX 197 vilken har flera ingångar men endast en utgång vilken är kopplad till CPU. AD-omvandlaren får därmed endast användas av en krets åt gången. I Figur 4 visas ett blockschema över kopplingen mellan ADC-kort och CPU, för ett schematiskt schema se Appendix A.2.
ADC
Detektor
CPU
ADC-kort
Styrning och sänding av data
Styrning CPU-kort
Lasertorn Lasertorn
REF
Figur 4 – Blockschema över kommunikation med ADC-kort.
3.2.3 Offset
För att maximera detektorns mätområde utan att detektorn vid något tillfälle hamnar under AD-omvandlarens lägsta nivå används en offset nivå vid varje mätning. Offset nivån är unik för varje detektor och för varje punkt på detektorn, men varje punkt håller en jämn nivå mot de andra punkterna mellan varje mätning. Offset nivån sparas innan en mätning och dras sedan ifrån efter mätningen är klar för att därmed få ett mer sant mätvärde och därmed mindre påverkan av en specifik detektor. AD-omvandlaren arbetar med 12-bitar vilket ger 4096 nivåer och offsetens minimumnivå har ett riktvärde på 150 men aldrig lägre än 100 och inte högre än 200. Offset nivån tas fram när röntgen är avstängd, en gång innan mätningen börjar och en gång efter mätningen är färdig. Offseten styrs via en digital trimpot som i Figur 4 visas som REF. Denna trimpot styrs av processorn så riktvärdet uppfylls.
9
4 Röntgendetektorer
På marknaden finns det två vanliga typer av röntgendetektorer. En som använder en så kallad direkt detektering och en som använder en indirekt. Den indirekta metoden bygger på att en normal ljusdetektor har ett skikt ovanpå som genererar ljus när röntgen träffar skiktet. Detta skikt kallas scintillator och det finns olika typer av scintillatorer. En av typerna heter Gadox och finns att läsa mer om lite längre fram. För att detektorn ska fungera korrekt måste den vara monterad i ett ljustätutrymme för att inte påverkas av omgivande ljus. Detektorerna som används i detta arbete är alla av typen indirekta detektorer. De är producerade av Hamamatsu (Japan) och är ljusdetektorer med 128 punkter. Den direkta metoden är av en helt annan teknik och bygger inte på någon ljusdetektor och saknar därmed scintillator.
Gadolinium Oxysulfide doppad med Terbium (Gd2O2S:Tb, eller helt enkelt Gadox) är en av de mest effektiva scintillatorerna tillgängliga med avseende på ljusuttag per inkommande röntgenenergi. Gadoliniums och Terbiums höga atomnummer och densitet gör att Gadox absorberar röntgen effektivt. De tre olika detektorerna som denna rapport berör har alla en scintillator av typen Gadox.
Detta Gadoxskikt kan beläggas på olika sätt. Det består av ett pulver och måste därför bindas samman av en massa. Pulvret består av små korn, storleken på dessa korn avgör hur scintillatorn kommer att fungera. Är kornen små blir detektorn mer känslig och brusnivån kan därmed öka. Däremot om kornen är stora fås mindre brus men en sämre känslighet. Mer om Gadox och om detektorer finns att läsa i [2], [3] och [8].
4.1 S6494-128 och S6494-128 HD
Figur 5 – Detektor S6494-128.
Detektor S6494 finns i två typer. En äldre variant som har ett Gadoxskikt med en tjocklek på 200µm och densitet på 87mg/cm2 och en ny variant som har ett Gadoxskikt med en tjocklek på 300µm och en densitet på 140mg/cm2. Både den nya och den gamla typen ingår i utvärderingen. I Figur 5 visas detektor S6494 med den äldre typen av Gadox skikt. Visuellt är det ingen skillnad på dessa två detektorer. Mer information om S6494 detektorerna finns i [4].
10
4.2 S8866-128G
Figur 6 – Detektor S8866-128G.
Detektor S8866 har endast den nyare typen av Gadoxskikt som är 300µm tjockt med en densitet på 140mg/cm2. Den stora skillnaden mellan S6494 och S8866 är att S8866 har en differentiellförstärkare och att den fysiska storleken har minskat. Detektorytan är däremot oförändrad.
Differentiellförstärkaren ska ge följande förändringar:
1. Temperaturpåverkning på offsetspänningen är reducerad 2. Photo-Diode Array (PDA) kan arbeta vid 0V
3. bottnad-spänningen är ökad 4. förbättrad linjäritet
Kapacitansökning på grund av att PDA kan arbeta vid 0V är en nackdel och Hamamatsu tror att differentiellförstärkaren ökar brusnivån mot den tidigare vanliga förstärkaren. Trots detta ska S8866 vara bättre än S6494 främst på grund av förändring 1 och 4 på det stora hela.
Detektorn har 12 stycken anslutningar, en sammanfattning av dessa ses i Tabell 1. Mer information om S8866 detektorn finns i [5].
Tabell 1 – Ben konfiguration på S8866.
Ben Symbol Namn Notering
1 RESET Reset puls Ingående puls 2 CLK Klock puls Ingående puls 3 Trig Trigg puls Utgående puls 4 EXTSP Extern start puls Ingående puls 5 Vms Master/ Slave (flera efter varandra) Spännings ingång 6 Vdd Matningsspänning Spännings ingång 7 GND Jord
8 EOS End of Scan, utläsning klar Utgående puls 9 Video Video signal Utgående puls 10 Vref Referens spänning Spännings ingång 11 Vgain Gain selection terminal voltage Spännings ingång 12 Vpd Fotodiod spänning Spännings ingång
11
5 Konstruktion av ADC-kort
Den detektor som ska utvärderas heter S8866-128G och i detta kapitel benämns denna detektor. På grund av att denna detektor styrs annorlunda mot de tidigare varianterna S6494 och S6494 HD behövs ett nytt ADC-kort. Med ADC-kort menas det kort som detektorn är monterad på där ADC står för analog digital coverter.
5.1 Styrning och avläsning av detektor
Detektorn styrs via en klocka och en reset ingång. För att anpassa den nya detektorn mot den gamla har samma metod använts vid styrning av dem rent programmeringsmässigt. Denna metod bygger på att använda två olika avbrott i processorn. Båda avbrotten initieras via en intern klocka. Det första avbrottet innehåller initiering av detektorn, vilken består av en resetpuls som startar en ny detektering. Det andra avbrottet används som en klocka för att räkna fram varje videosignal. Det är totalt 128 videosignaler att läsa av innan det hela kan börja om igen. Avläsning av 128 punkter kallas en cykel. Se Appendix E för källkoden som skrivits för avbrottsrutinerna.
Mätaren är programmerad att göra ett antal steg vid mätning. Det kan till exempel vara 90 steg som det är vid mätning på hälbenet eller 10 steg vilket sker vid en offsetmätning. Oavsett hur många steg som mäts så består varje steg av 8 stycken cykler vilka det sedan görs en medelvärdesbildning på.
De data som avläses läggs i ett externt RAM-minne på CPU-kortet. Dessa data skickas sedan till PC när det inte längre sker några avbrott, efter en hel mätcykel.
5.2 Behandling av videosignal
Detektorns videosignal ger en utspänning på Vref nivå i sitt mörka tillstånd, det så kallade ”dark state”. Vid detta tillstånd detekteras inget ljus. Vid sitt ljusaste tillstånd, ”saturation state”, ges en spänningsnivå på Vref-Vsat där Vref har valts till 4,54 V genom en spänningsdelning från en 5 V referenskrets som håller en stabil nivå. Vsat är 3,5 V enligt datablad, vilket då ger cirka 1 V i utspänning på videosignalen. Detektorn arbetar alltså i ett område av 3,5 V, från 4,54 V ner till 1,06 V. Att detektorn har en referensingång Vref där referenssignalen till detektorn sätts är mycket bra. Detta saknades på detektorn som användes tidigare vilket antagligen genererade en brusigare mätsignal.
Den tidigare detektorn arbetade inverterat mot denna och därmed önskas signalen vändas för att bli så lik den tidigare som möjligt. Detta för att få färre förändringar i den övriga konstruktionen. Detta är enklast att göra med en differentialförstärkare där signalen kan inverteras och endast skillnaden mellan en given nivå och videosignalen förstärks. Se Figur 7 för differentialförstärkaren och Formel 1 för dess formel. Mer om förstärkare finns att läsa i [1] och [7].
12 R1 R1 R 2 R2 U2 U1 + + -+ - -Uut Figur 7 – Differentialförstärkare.
(
)
1
2
2 1R
R
U
U
Uut
=
−
Formel 1Den givna nivån är tagen från den stabila 5 V nivån som sedan delas ner med hjälp av en spänningsdelning med den styrbara digitala trimpotten DS1267. Det är med hjälp av DS1267 som offsetnivån ställs in, se 3.2.3 för beskrivning av Offset.
5.3 ADC-kort för detektor S8866
För att kunna montera och testa detektorn i detektorlådan måste ett nytt kretskort konstrueras och tillverkas. Själva konstruerandet av kretskortet gjordes fortlöpande med hjälp av EDWinXP vilket är ett CAD-program och PCB-program med koppling dem emellan.
5.3.1 Design
Designen utgår från Demetechs tidigare kort, men nu anpassat för detektor S8866. Kortet har konstruerats som ett testkort och har därför vissa extra komponenter till för testning. Det finns en klocka som är tänkt att kunna användas till detektorn istället för att klocka mjukvarumässigt från processorn då S8866 har en trigsignal. Även en referensspänningskrets har placerats vid eventuella störningar på Vdd nivån. Dessa två komponenter har lagts in så att de kan kopplas in och ur via byglar utan att behöva lödas dit eller bort. Se Appendix A för komplett underlag för detta mönsterkort.
5.3.2 Komponenter
De viktigaste komponenterna innefattar: • 12-bitars AD-omvandlare MAX197 • Röntgendetektor S8866-128
• Förstärkare
• 5V Spänningsregulator 78L TO92 • 5V Referenskrets REF02AP
13
5.3.3 Mönsterkortslayout
Mönsterkortet har jordplan på båda sidor och en liten del av ena sidan är 5 voltsplan vilket kan ses i Appendix A.1 där 5 voltsplanet ses på undersidan ute till höger. De digitala signalerna och analoga signalerna kan störa varandra, därför har det gjorts försök att skilja ut de analoga från det digitala. Detta gäller speciellt videosignalen från detektorn. I oförstärkt nivå har en så kort ledning och rak som möjligt dragits till förstärkarna och det samma gäller dess väg till AD-omvandlaren.
5.3.4 Montering
Tillverkning av mönsterkortet beställdes från Elprint i Norge och tog cirka en vecka. Vid ankomst monterades komponenterna vid Demetech och mätningar kunde påbörjas efter lite justeringar av programmeringen och en del testning av referensspänningen till detektorn vilken görs med en spänningsdelning. Se Figur 8 för en bild på kortet och Appendix A.4 för flera bilder. Detektorn monteras på andra sidan av kortet och visas inte i bilden.
15
6 Mätningar
Målet med mätningarna är att detektorn S8866-128G, från Hamamatsu, ska utvärderas och jämföras med de två modellerna S6494-128 och S6494-128 HD. På grund av skillnader mellan den nya detektorn och de två gamla med avseende på funktion och styrning kommer tester att utföras för att påvisa hur dessa skillnader påverkar mätfunktionen.
6.1 Kalibreringsprogram
DXL Calscan behöver ett styrprogram för att kunna utföra mätningar. DXL Calscan Workstation som har beskrivits tidigare är ett Windowsprogram som används vid patientmätningar. Vid tillverkning av mätaren används dock ett annat program benämnt Kalibreringsprogram. Detta Kalibreringsprogram har fördelen att kunna göra några olika typer av mätningar som främst har produktionsbaserad funktion. För de mätningar som beskrivs framöver i rapporten användes en funktion som heter långtidstest vilket är exakt samma mätning som görs med DXL Calscan Workstation men det går att mäta flera gånger efter varandra med automatik vilket förenklar mätförfarandet. Se Appendix B för bilder på Kalibreringsprogrammet.
6.2 Testmätning
Ett flertal detektorer har använts i de olika mätningarna för att inte en enskild detektor ska påverka mätresultatet. För att en enskild mätning inte ska avgöra resultatet så har det gjorts tio mätningar efter varandra. För att monteringen av detektorn ska ha mindre betydelse för mätresultat har varje detektor slutligen mätts en extra gång vid ett annat tillfälle. Orsaken till att mätningen sker vid ett extra tillfälle är att detektorn ska ha monterats ur detektorlådan däremellan. Dessa mättillfällen är benämnda mättillfälle AA och mättillfälle BB.
Viktigast av allt är att samma mätare med samma röntgenrör har använts vid samtliga mätningar. Det som däremot skiljer är detektor och dess ADC-kort samt programvaran i CPU.
Arbetsgång vid testmätning:
1. Mätare avstängd i minst fem minuter 2. Påslag av mätare och koppla ur röntgen
3. tio stycken totala offsetmätningar med fem sekunders mellanrum 4. Mätare avstängd i minst fem minuter
5. Påslag av mätare och koppla tillbaka röntgen
6. tio stycken mätningar på aluminiumtrappan med tre minuters mellanrum Anledningen till att mätaren har varit avstängd i minst fem minuter mellan varje mätperiod är att den gamla detektorn ibland kunnat visa stabilare resultat då den varit uppvärmd. Detektorer som ingår i dessa mätningar ses i Tabell 2.
16
Tabell 2 – Detektorer som användes vid offset- och röntgenmätningarna. Serienummer Detektortyp Scintillator
0C-12 S6494 äldre scintillator 2C-26 S6494 äldre scintillator 2I-35 S6494 äldre scintillator 4D-01 S6494 HD ny scintillator 4D-02 S6494 HD ny scintillator 4D-01 S8866 ny scintillator 4D-02 S8866 ny scintillator 4D-03 S8866 ny scintillator
6.2.1 Totala
offsetmätningar
De totala offsetmätningarna är i dessa tester främst till för att visa hur detektorerna ändrar mätvärde de första tio till femton minuterna efter att mätaren blir påslagen. Mätningarna har utförts genom att göra tio mätningar med fem sekunders mellanrum vilket ger (en minut + fem sekunder) x tio = elva minuters mättid. Vid dessa offsetmätningar stängs röntgenröret av manuellt för att på det sättet få offsetvärden under hela mätningen. I vanliga fall fås endast tio mätsteg av offset i början och tio mätsteg offset i slutet.
6.2.2 Röntgenmätningar
För att kunna få en bra jämförelse mellan detektorernas röntgendetektering utfördes mätningar på olika tjocka material. Aluminium har likvärdiga röntgenegenskaper som ben medans plexi eller plast har likvärdiga röntgenegenskaper som vatten. En normal mänsklig häl är då jämförbar med cirka 3 mm aluminium och 44 mm plexi. Tjockleken på aluminiumet kanske låter lite i förhållande till ben, men ben är inte en solid massa så som aluminiumet utan har många håligheter. I dessa mätningar användes en trappa av aluminium som börjar på 0,5 mm och går i steg om 0,5 mm upp till 3 mm. Där går sedan trappan ner till 0,5 mm på samma sätt. I Figur 9 ses aluminiumtrappan med plexiskivor.
17
Plexiskivorna är uppdelade på fyra stycken elva mm plattor. Ett exempel på hur röntgenbilden blir på denna trappa visas i Figur 10.
Figur 10 – Röntgenbild av aluminiumtrappan med plexiskivor.
Eftersom detektorerna har olika känslighet måste en anpassning av röntgennivån göras eller att detektorerna förstärks så de kommer i samma område. För att inte förstärka det brus som finns och skapas i kedjan av förstärkningar av detektorsignalen anpassades istället röntgennivån vilken antogs vara linjär. Anpassningen gjordes genom att ändra röntgenkällans ström för de två olika energinivåerna för röret. I Appendix C ses en mätlista för de olika detektorerna där XLA och XHA är inställningar för hur mycket ström röret har för låg kilovolt och hög kilovolt.
6.3 Mätningar för att visa stegmotorpåverkan
Stegmotorn som sköter detektorns och röntgenkällans förflyttning över mätobjektet genererar en hel del störningar. För att se om den nya detektorn med detektorkort har ett bättre skydd mot dessa störningar, har det gjorts offsetmätningar med stegmotorn igång. Dessa mätningar utfördes på detektorerna i Tabell 3. De båda detektorerna har mätts med röntgenkälla avstängd 10 gånger var.
Tabell 3 – Detektorer som användes för att visa stegmotorpåverkan. Serienummer Detektortyp Scintillator
2I-35 S6494 äldre scintillator 4D-03 S8866 ny scintillator
19
7 Utvärdering
Detta kapitel är en utvärdering av de mätvärden som har samlats in från de olika detektorerna. De beräkningar som genomförts beskrivs genom teorier, matematiska beräkningar och Matlabkod.
7.1 Inläsning av mätvärden
Efter att alla mätningar var slutförda samlades all mätdata in för att beräknas i Matlab.
7.1.1 Mätdata
Mätningarna gjordes med hjälp av kalibreringsprogrammet och sparades i dess databas. All mätdata exporterades sedan ut från denna databas till textfiler för att beräkningar lättare skulle kunna utföras. Textfilerna sparades ner i en struktur, enligt Figur 11 där varje katalog i botten på trädet innehåller nio textfiler enligt Tabell 4. Med 8 detektorer, 10 offsetmätningar och 10 röntgenmätningar för varje detektor plus en extra mätomgång blir det 8· (10 + 10) · 2 = 320 mätningar. Totalt med de extra 20 mätningarna för stegmotorpåverkan blir det 340 mätningar.
Figur 11 – Mätdatastruktur.
Tabell 4 – Mätdatafiler från en mätning.
Mätordning Filnamn Aktuell
1 Offset1.txt Ja 2 PhLowkV.txt Ja 3 LowkV.txt Ja 4 Laser.txt 5 PhHighkV.txt Ja 6 HighkV.txt Ja 7 Offset2.txt Ja Beräknad BerLowkV.txt Beräknad BerHighkV.txt
Dessa 9 filer gånger 340 mätningar ger 3060 filer vilket tar upp ca 185 Megabyte mätdata. Excel är bra för att göra enkla och små beräkningar och med några enkla makron går det att göra det mesta, men när det blir så många filer går det betydligt snabbare med Matlab. Det är dock endast några av dessa filer som är intressanta för de beräkningar som kommer tas upp här. En kort beskrivning av aktuella filer följer nedan.
20
Offset1.txt och Offset2.txt innehåller offsetvärden från en vanlig offsetmätning. Det finns 10 stycken mätvärden för varje punkt i detektorn.
LowkV.txt och HighkV.txt innehåller mätdata över mätobjektet. Det finns 90 stycken mätvärden för varje punkt i detektorn.
PhLowkV.txt och PhHighkV.txt innehåller fantomvärden. Mätaren gör en referens mätning på 4mm aluminium innan varje mätning. Det finns 10 stycken fantom mätvärden för varje punkt i dessa filer.
Stegmotor är endast i rörelse under LowkV och HighkV, i Tabell 5 visas hur många mätsteg som sker vid varje delmätning.
Tabell 5 – Mätordning och antal steg för varje delmätning.
Delmätning Offset1 PhLow LowkV PhHigh HighkV Offset2 Totalt
Antal steg 10 10 90 10 90 10 220
7.1.2 Matlab
För att läsa in dessa textfiler och utföra beräkningar har ett antal funktioner skrivits med Matlab programmeringskod. Denna kod finns i sin helhet i Appendix D. Detektorerna har 128 punkter men det är endast punkt 10 till 118 som används vid denna utvärdering på grund av att det är detta område som detektorerna använder i normala fall. Dessutom så utesluts det första steget av varje delmätning, således blir det totalt 214 steg istället för 220 steg som beräkningarna görs på.
7.2 Utredning av offset
Anledningarna till att en offset mäts upp med den äldre detektorn S6494 är att:
1. Detektorns alla 128 punkter har inte samma värde vid offsetmätning. En ökning av nivån från de första punkterna till de sista är tydlig på alla S6496 detektorer.
2. Den totala offsetnivån vid uppstart av mätaren är inte samma som då mätaren varit påslagen en tid (det vill säga offseten sjunker om inte trimpotten skulle kalibrera in nivån innan varje mätning).
7.2.1 Max och min mellan punkter (offset)
Anledning 1 syns tydligt i Figur 12 där S6494 har ett värde på runt 130 vid punkt 1 och runt 250 vid punkt 128. Denna offsetbild är typisk för den äldre detektorn och gör en offsetmätning nödvändig. Den nya detektorn S8866 har en jämnare nivå mellan punkterna vilket kan leda till att en sådan här typ av offsetmätning blir mindre nödvändig.
21
Figur 12 – Offsetskillnad mellan S8866 och S6494.
7.2.2 Medel av detektorns punkter (offset)
Anledning 2 förklarar varför den automatiska inmätningen och kalibreringen av offseten måste göras innan varje mätning. I Figur 13 visas de tre olika typerna av detektor som använts i dessa mätningar. S8866 har en bra och jämn nivå från mätsteg 1 till mätsteg 2140 (10 mätningar · 214 mätsteg). De två äldre S6494 detektorerna sjunker efter varje mätning och måste justeras innan offseten blir för låg (någon punkt under noll).
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Tio stycken totalaoffsetmätningar i följd (AA)
Offset nivå
Medel av punkt 10-118 S8866 4D-01 S6494 HD 4D-02 S6494 2I-35
Figur 13 – Tio stycken totala offsetmätningar i följd.
Dessa mätningar visar att den vanliga offsetmätningen kan vara överflödig. Det tar ingen direkt tid att göra denna offsetmätning på tio steg gånger två, därför kan offsetmätningen vara kvar trots att den kanske inte längre är nödvändig med den nya detektorn S8866.
22
7.3 Standardavvikelse
på enskild punkt (offset)
Det är önskvärt att minimera brusnivån på vad detektorn detekterar, därför är det av intresse att se var brusnivån ligger. Ett sätt att se brusnivån är att sampla värden utan att röntgenkällan är påslagen. Detta är en så kallad offsetmätning som nämnts tidigare. Skillnaden mot en vanlig offsetmätning är här att hela mätningen fylls med offsetvärden. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8
Tidsberoende STD av offset (AA)
STD mätningsnummer S8866 4D-01 S8866 4D-02 S8866 4D-03 S6494 HD 4D-01 S6494 HD 4D-02 S6494 0C-12 S6494 2C-26 S6494 2I-35
Figur 14 – Tidsberoende standardavvikelse av offset.
I Figur 14 visas standardavvikelserna på alla detektorernas offsetmätningar i mättillfälle AA. Med standardavvikelse menas standardavvikelsen av en punkt på detektorn under en hel mätning, i detta fall 214 steg. Sedan tas ett medel på alla punkters framräknade standardavvikelser i detektorn och det är dessa värden som visas i grafen. Från start av mätare i mätning 1 till den sista i mätning 10 syns det tydligt hur de tre nya detektorn skiljer sig från de fem äldre typerna. De äldre detektorerna har en högre brusnivå vid de första mätningarna och ligger något sämre även vid de senare.
Vad som är av intresse här är varför de äldre detektorerna skulle ha en högre brusnivå. Genom att se på graferna i Appendix F.1 vilka alla visar delmätning 1,3,5 och 10 för respektive detektor så är det tydligt varför standardavvikelsen är mycket högre på de första mätningarna mot de senare för S6494 detektorerna. Det som skiljer S6494:orna mot S8866:orna är att offseten sjunker mycket mellan och under de första mätningarna. Att offseten sjunker under mätningen påverkar standardavvikelsen vilket visades i Figur 14.
Då stegmotorn är urkopplad i dessa mätningar kan den inte ha påverkat resultatet. En möjlig orsak till att värdena är sämre vid de första mätningarna skulle kunna vara kopplat till att S8866 har en separat referensspänningsingång för sin videosignal. S6494 har inte en separat referensspänning utan tar sin från Vdd. Om då nätaggregatet skulle behöva komma upp i en arbetstemperatur innan det ger en jämn
23
utspänning på sina utgångar skulle det kunna vara en förklaring. I Tabell 6 visas medelberäkningar av standardavvikelser för de olika detektorerna. Både medel av alla tio mätningarna och medel av endast de sista fem mätningarna då S6494 har börjat stabilisera sig visas.
Tabell 6 – Medel av standardavvikelser vid de totala offsetmätningarna. Detektor medel av mätning
1-10:s STD medel av mätning 6-10:s STD S8866 4D-01 2,0135 1,9668 S8866 4D-02 1,9869 2,0123 S8866 4D-03 1,8364 1,7874 S6494 HD 4D-01 2,6613 2,1929 S6494 HD 4D-02 2,8271 2,3419 S6494 0C-12 2,7505 2,3913 S6494 2C-26 3,2033 2,3030 S6494 2I-35 2,7592 2,2777
S8866 visar sig ha en något lägre brusnivå, men alla detektorerna har en låg nivå brus. Det är dock stor skillnad för S6494 varianterna mellan att beräkna alla tio mätningarna och endast de fem sista. I det avseendet är S8866 klart bättre.
7.4 Stegmotorpåverkan
(offset)
När stegmotorn är igång påverkar den i matningspänningen vilket inverkar på mätarens andra komponenter. Speciellt de komponenter som är känsliga så som detektorn och de förstärkare som förstärker detektorns videosignal. Därför har totaloffsetmätningar gjorts med stegmotorn på för att se om den nya detektorn klarar av dessa störningar bättre än vad de gamla detektorerna gör. Precis som i föregående avsnitt har en graf tagits fram där mätning 1,3,5 och 10 visas. I samma graf återfinns samma detektor med stegmotor av och på, dessa grafer finns i Appendix F.5. Det som går att se är att signalen blir sämre för både den nya och den gamla detektorn när stegmotorn är på. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5
Tidsberoende STD av offset med stegmotor av och på (CC)
STD
mätningsnummer
S8866 4D-03
S8866 4D-03 (STEP ON) S6494 2I-35
S6494 2I-35 (STEP ON)
24
För att sätta lite värden på det så beräknas standardavvikelsen på dessa mätningar. I Figur 15 ses de två testade detektorernas totala offsetstandardavvikelser vid de olika mätningarna. En tydlig försämring av standardavvikelsen och därmed en ökad brusnivå ses då stegmotorn är på. I Tabell 7 ses medelberäkningar av standardavvikelser för de olika detektorerna. Både medel av alla tio mätningarna och medel av endast de sista fem mätningarna då S6494 har börjat stabilisera sig visas. Mer mätdata om detta finns i Appendix F.6.
Tabell 7 – Medel av standardavvikelser, totala offsetmätningarna, stegmotor på. Detektor Stegmotor medel av mätning
1-10:s STD medel av mätning 6-10:s STD
S8866 4D-03 På 1,8364 1,7874 S8866 4D-03 Av 2,3159 2,3587 S6494 2I-35 På 2,7592 2,2777 S6494 2I-35 Av 3,3271 2,6845
7.5 Linjäritet mot röntgen
Vid produktion av DXL Calscan kalibreras varje mätare genom att mäta på en aluminiumtrappa. Mätvärdena som fås vid denna mätning logaritmeras för att anpassas efter rötgenstrålningens egenskaper. Sedan beräknas de så kallade lutningskoefficienterna för just den mätaren, vilka sedan sparas i mätarens minne.
Tabell 8 – Exempel på mätvärden av aluminiumtrappan.
Aluminium (cm) 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Nivå 1663 1581 1504 1431 1362 1294
Ln(Nivå) 7,417 7,366 7,316 7,266 7,217 7,166
Lutningskoefficienterna är det samma som lutningen av en linjär regressionslinje av Ln(Nivå), se Tabell 8 för ett exempel.
Lutning av en linjär regressionslinje är det lodräta avståndet dividerat med det vågräta avståndet mellan två punkter på linjen, vilket motsvarar förändringstakten utmed regressionslinjen, se Formel 2.
( )( )
( )
∑
∑
∑
∑
∑
− − = 2 2 x x n y x xy n b Formel 225
Ett r-kvadratvärde tas fram för att se hur pass rak den linjära regressionslinjen är och kan tolkas som variansen i Y jämfört med variansen i X. Se Formel 3 där r sedan tas i kvadrat.
(
) ( )( )
( )
(
∑
∑
)
(
∑
( )
∑
)
∑
∑
∑
− − − = 2 2 2 2 Y Y n X X n Y X XY n r Formel 3I Appendix G finns en komplett tabell över beräknade lutningskoefficienter och r-kvadrat för alla detektorerna i båda mättillfällena och dess framräknade trappvärden. Dessa värden är beräknade med Matlab, källkoden finns i Appendix D.
Vad man kan se i Tabell 9 som är ett utdrag från Appendix G är att de nya detektorerna S8866 alla har en något skild lutning mot de äldre typerna. Detta både för den höga energin och för den låga.
Tabell 9 - Lutningskoefficienter och R-kvadratvärden för alla detektorer.
Mättillfälle AA HighkV LowkV
Detektor Lutning R-kvadrat Lutning R-kvadrat
S8866 4D-01 -0,99963 1,0000 -3,68130 0,9997 S8866 4D-02 -0,99698 1,0000 -3,67771 0,9997 S8866 4D-03 -0,99837 1,0000 -3,67949 0,9997 S6494 HD 4D-01 -1,02511 0,9999 -3,75489 0,9996 S6494 HD 4D-02 -1,02555 0,9999 -3,75164 0,9996 S6494 0C-12 -1,02378 0,9999 -3,80153 0,9997 S6494 2C-26 -1,02991 1,0000 -3,86633 0,9995 S6494 2I-35 -1,02471 0,9999 -3,82739 0,9996
7.6 Puls i röntgen
Vid mätningarna anpassades förstärkningen av detektorernas videosignal och strömmen till röntgenröret. Detta gör att vissa rimliga antaganden måste göras för att kunna utföra de beräkningar som är tänkta för pulsnivå från röntgenröret. Puls är ett annat ord för nivån från AD-omvandlaren eller känsligheten av röntgen, med andra ord hur mycket detektorn detekterar för en viss röntgennivå och ett visst mätobjekt. Om dessa faktorer kan ses som linjära går det att räkna bort dem och se vilken skillnad det blir i känslighet mellan de olika detektorerna i oförstärkt läge och vid samma teoretiska röntgenuttag. I Tabell 10 visas beräkningar av en teoretisk känslighetsförbättring. Uträkningarna finns i sin helhet i Appendix G. De procentuella känslighetsförbättringarna har tagits fram mot en medelfaktor för de tre äldre S6494 detektorerna.
26
Tabell 10 – Känslighetsförbättring av röntgendetektering.
Detektor Förstärkning [gånger] Röntgenrör [mA] Medel av aluminium -trappan Känslighets förbättring (utan röntgen) Känslighets förbättring (utan röntgen, oförstärkt) HighkV S8866 4D-01 4,7 970 1472 21,15% 363,97% S8866 4D-02 4,7 970 1482 21,91% 366,88% S8866 4D-03 4,7 970 1467 20,70% 362,24% S6494 HD 4D-01 18 890 1468 31,60% 31,60% S6494 HD 4D-02 18 890 1471 31,86% 31,86% S6494 0C-12 18 1160 1467 0,93% 0,93% S6494 2C-26 18 1160 1431 -1,54% -1,54% S6494 2I-35 18 1160 1462 0,61% 0,61% LowkV S8866 4D-01 4,7 4700 1490 4,97% 302,01% S8866 4D-02 4,7 4700 1495 5,34% 303,44% S8866 4D-03 4,7 4700 1484 4,56% 300,46% S6494 HD 4D-01 18 4300 1483 14,20% 14,20% S6494 HD 4D-02 18 4300 1488 14,56% 14,56% S6494 0C-12 18 4800 1390 -4,14% -4,14% S6494 2C-26 18 4800 1477 1,85% 1,85% S6494 2I-35 18 4800 1483 2,29% 2,29%
7.6.1 Känslighetsförbättring (utan röntgen)
Vad som går att se är att den nya typen av Gadox har gjort att detektor S6494 HD fått en bättre känslighet, cirka 32% för den höga energin och 14% för den låga, vilket är bra. Detta kan leda till att det går att sänka strömmen till röntgenröret och därmed sänka strålningen. Detektor S8866 har även den en bättre känslighet på 22% för den höga och 5% för den låga.
7.6.2 Känslighetsförbättring (utan röntgen, oförstärkt)
Enda skillnaden när förstärkningen också räknas bort är att S8866 får en mycket högre känslighet. Detta beror med största sannolikhet på att den har en intern differentiellförstärkare och har därmed en högre nivå från start.
7.7 Standardavvikelse på röntgenvärden i aluminiumtrappan
Hittills har denna rapport bara berört standardavvikelseberäkning på offset värden då de går att koppla till brus i detektorn. Det skulle kunna vara av intresse att se vad standardavvikelsen blir då röntgen är på. Antagligen är de värdena mycket brusiga på grund av att röntgenkällan i sig är brusig. De mätdata som finns att tillgå är de över aluminiumtrappan.
Standardavvikelsen har beräknats på en detektors mätning för en punkt på detektorn och för en tjocklek på aluminiumtrappan. Sedan har ett medel tagits på dessa standardavvikelser för en hel mätning. Se Figur 16 för en graf över dessa beräkningar för alla detektorer.
27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17
STD av aluminiumtrappa LowkV (AA)
STD mätningsnummer S8866 4D-01 S8866 4D-02 S8866 4D-03 S6494 HD 4D-01 S6494 HD 4D-02 S6494 0C-12 S6494 2C-26 S6494 2I-35 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 16 17 18 19 20
STD av aluminiumtrappa HighkV (AA)
STD mätningsnummer S8866 4D-01 S8866 4D-02 S8866 4D-03 S6494 HD 4D-01 S6494 HD 4D-02 S6494 0C-12 S6494 2C-26 S6494 2I-35
Figur 16 – Standardavvikelse av aluminiumtrappan.
I Appendix F.3 kan graf över mättillfälle BB ses och i Appendix F.4 visas standardavvikelserna vid varje tjocklek på aluminiumtrappan. Där kan man se att grafen här ovan inte är en slump. Om man gör en jämförelse med offsetberäkningarna i 7.3 och dessa med röntgen, så försvinner problemen med en högre standardavvikelse vid de första mätningarna i röntgenstrålningsbruset. Förutom möjligtvis den första mätningen som även här hade sämre standaravvikelse. Värt att notera är att samtliga S6494 detektorer har en sämre standaravvikelse än S8866.
Standardavvikelsen är högre vid en tunnare tjocklek på aluminium och lägre vid en tjockare. Detta kan ses i graferna i Appendix F.4 där alla mätningar för en detektor visas i en graf.
29
8 Diskussion och Slutsats
Efter många mätningar och uträkningar är det dags att sammanfatta dessa i en slutsats. Det är två nya detektorer som har testats, S6494 HD och S8866.
8.1 Detektor S6494 HD
Det har visat sig att S6494 HD beter sig som S6494 förutom att den förstnämnda har en högre känslighet vilket kan göra det möjligt att sänka strömmen till röntgenröret och på så sätt minska stråldosen. Eftersom detektorernas videosignal förstärks lika mycket på de båda och det enda som skilt dem under mätningar har varit strömmen till röntgenröret vilken teoretiskt gav S6494 HD en 32% förbättring i känslighet för den höga energin och en 15% förbättring för den låga.
Lutningskoefficienterna var liknande vilket gör att det rimligen inte bör finnas något hinder att använda denna detektor istället för S6494. Dock bör mätningar på fotfantom och hälben göras innan den införs i produktion. Ett fotfantom är ett mätobjekt som liknar en fot i dess röntgenegenskaper och BMD värde.
8.2 Detektor
S8866
Detektor S8866 har visat sig ha en lägre brusnivå samt ha en högre känslighet vilket ses som två stora förbättringar gentemot S6494. Dessutom har S8866 visat att alla 128 punkter i detektorn håller en jämn nivå och att detektorn håller samma offsetnivå från start av mätare och framåt vilket inte någon av de andra detektorerna klarar. Dessa förbättringar har antagligen sitt ursprung från den differentiellförstärkare som S8866 har och att den har en referensspänning vilket inte S6494 har. För att införa denna detektor i produktion bör ett nytt ADC-kort konstrueras där de testkretsar som lagts dit tas bort och mätningar utföres på fotfantom och hälben.
8.3 Framtida
arbete
För att utreda mer exakt utan att använda teoretiska anpassningar skulle det vara en fördel om Demetech kunde utföra en del extra mätningar. Dessa beskrivs nedan i korta drag:
1. Mätning för att se känsligheten för de olika detektorerna utan teoretiskt avdrag av förstärkning och röntgenrörsström. Med andra ord använda samma förstärkning på detektorerna och samma ström till röntgenröret.
2. Mätning för att se hur S6494 detektorernas offsetnivå sjunker den första tiden efter start av mätare. Detta skulle kunna göras genom att skriva ett nytt program för processorn som samplar detektorns videosignal konstant. S8866 har dock en stabil nivå så detta är mest relevant för att undersöka S6494 detektorn.
30
3. Fler mätningar för att se standardavvikelsen för olika tjocklekar aluminium då röntgen är på. De mätningar som gjordes här var på aluminiumtrappan vilket bara gav 10-16 stycken mätsteg på varje tjocklek vilket är lite, 90 mätsteg skulle vara bättre.
8.4 Rekommendation
Rekommendationen blir således att införa och förbereda S6494 HD för produktion nu, genom att utföra mätningar på fotfantom och hälben och jämföra resultaten med en S6494 detektor. Sedan är rekommendationen att planera när och hur S8866 kan införas i produktion då denna detektor har visat sig vara bättre än S6494 och S6494 HD på flera punkter.
31
Referenser
[1] BENGTSSON, L. 2003. Elektriska mätsystem och mätmetoder. Studentlitteratur.
ISBN 91-44-02903-9
[2] HAMAMATSU. Si Photodiodes and Charge Sensitive Amplifiers for Scintillation
Counting and High Energy Physics
[3] HAMAMATSU. 1996. FOS (Fiber Optic Plate with Scintillator) for Digital X-ray
Imaging
[4] HAMAMATSU. Datablad Photodiode array with amplifier S6493/6494 series [5] HAMAMATSU. Datablad Photodiode array with amplifier S8866 series
[6] KOMPENDIUM I RÖNTGENTEKNOLOGI. 2005-06.
http://www.radiol.uu.se/utbildning/rtgsjuksk/Rtgteknologi/Rtg-teknologi-02.pdf,
[7] MOLIN, B. 2001. Analog elektronik. Studentlitteratur.
ISBN 91-44-01435-X
[8] SCINTILLATOR OPTIONS. 2005-06. http://www.rad-icon.com/pdf/Radicon_AN07.pdf
[9] STENLUND, B. 1999. Det sköra benet. Förlagshuset Gothia AB.
Appendix A A-1
Appendix A
ADC-kort för S8866
A.1 Kretskortslayout
Ovansidan UndersidanAppendix A
A-2 Ovansidan
Appendix A
A-3
A.2 Kopplingsschema
Appendix A A-4
A.3 Komponentlista
Mönsterkort 031114-00 ADC/Detector DB PCB KomponenterPlacering Antal Namn Leverantör Artikel nr.
C1, C2 2 TantalElekt. kond. 4,7µF 16V Elfa 67-765-12 C4 1 Kondensator 0,01µF 50V Elfa 65-715-33 C5 1 Kondensator 100pF 200V Elfa 65-707-41 C6 1 Kondensator 4,7nF 100V Elfa 65-734-89 C7 - C9 3 Elektrolyt kond. 470µF 16V Elfa 67-011-48 C3, C10-C16 8 Kondensator 0,1µF 100V Elfa 65-736-87 C17 1 Kondensator 150pF 100V Elfa 65-732-65 C18 1 Kondensator 10nF 100V Elfa 65-735-39
IC1 1 74HC14 Elfa 73-506-14
IC2 1 EXO-3 12,8MHz Elfa 74-540-44
IC3 1 TL074CN Elfa 73-117-56
IC4 1 MAX197 Elfa 73-197-00
IC5 1 REF02AP Elfa 73-052-46
IC6 1 DS1267 Elfa 73-768-25
J1 1 26p stifttag CLL 5332-26GS1
J2 2 6p kontaktlist serie14000 Elfa 48-157-59 J3, J4 2 3p Stiftlist (6410) CLL 6410-03A J5, J6 2 6p Stiftlist (6410) CLL 6410-06A J7, J8 2 2p Rak stiftlist delning 2,54 Elfa 43-716-05 J9, J10 2 3p Rak stiftlist delning 2,54 Elfa 43-716-13 L1, L2 2 Effektdrossel 472K Elfa 58-086-47 L3 1 Effektdrossel 331K Elfa 58-086-21 R1, R4 2 Resistor 180K ohm 0.1% R2, R3 2 Resistor 10K ohm 0.1% R5 bygling R6 bygling
R7 1 Resistor 1,8K ohm 1% Elfa 60-725-57 R8-R11, R19 5 Resistor 100K ohm 1% Elfa 60-745-61 R12 1 Resistor 470 ohm 1% Elfa 60-719-06 R13 1 Resistor 82K ohm 1% Elfa 60-744-62 R14 1 Resistor 6,8K ohm 1% Elfa 60-732-33 R15 1 Resistor 5,1 ohm 1% Elfa 60-761-78 R16 1 Resistor 1K ohm 1% Elfa 60-722-84 R18 1 Resistor 4,7K ohm 1% Elfa 60-730-43 R17 1 Resistor 10K ohm 1% Elfa 60-734-23 U1 1 5V Spänningsregulator 78L TO92 Elfa 73-001-07
Appendix A
A-5
A.4 Foton
Ovansidan utan komponenter
Appendix A
A-6
Appendix B
B-1
Appendix B
Bild av kalibreringsprogram
B.1 Kalibreringsprogram
Appendix B
B-2
B.3 Dataanalys
Appendix C
C-1
Appendix C
Mätdata lista
Mätningsdata ID detektor mätobjekt förstärkning av detektor-signal STEP tid mellan
mätningar X-RAY XLA XHA W LowKV W HighKV
001-010 S8866-128 4D-02 inget 4,7 av 5 av 0 0 0 0 011-020 S8866-128 4D-02 Al trappa + PLEXI 4,7 på 180 på 4700 970 165,91 65,96 021-030 S8866-128 4D-01 inget 4,7 av 5 av 0 0 0 0 031-040 S8866-128 4D-01 Al trappa + PLEXI 4,7 på 180 på 4700 970 165,91 65,96 041-050 S8866-128 4D-03 inget 4,7 av 5 av 0 0 0 0 051-060 S8866-128 4D-03 Al trappa + PLEXI 4,7 på 180 på 4700 970 165,91 65,96 061-070 S6494-128 HD 4D-02 inget 18,0 av 5 av 0 0 0 0 071-080 S6494-128 HD 4D-02 Al trappa + PLEXI 18,0 på 180 på 4300 890 151,79 60,52 081-090 S6494-128 HD 4D-01 inget 18,0 av 5 av 0 0 0 0 091-100 S6494-128 HD 4D-01 Al trappa + PLEXI 18,0 på 180 på 4300 890 151,79 60,52 101-110 S6494-128 2I-35 inget 18,0 av 5 av 0 0 0 0 111-120 S6494-128 2I-35 Al trappa + PLEXI 18,0 på 180 på 4800 1160 169,44 78,88 121-130 S6494-128 2C-26 inget 18,0 av 5 av 0 0 0 0 131-140 S6494-128 2C-26 Al trappa + PLEXI 18,0 på 180 på 4800 1160 169,44 78,88 141-150 S6494-128 0C-12 inget 18,0 av 5 av 0 0 0 0 151-160 S6494-128 0C-12 Al trappa + PLEXI 18,0 på 180 på 4800 1160 169,44 78,88 161-170 S6494-128 2C-26 inget 18,0 av 5 av 0 0 0 0 171-180 S6494-128 2C-26 Al trappa + PLEXI 18,0 på 180 på 4800 1160 169,44 78,88 181-190 S6494-128 2I-35 inget 18,0 av 5 av 0 0 0 0 191-200 S6494-128 2I-35 Al trappa + PLEXI 18,0 på 180 på 4800 1160 169,44 78,88 201-210 S6494-128 0C-12 inget 18,0 av 5 av 0 0 0 0 211-220 S6494-128 0C-12 Al trappa + PLEXI 18,0 på 180 på 4800 1160 169,44 78,88 221-230 S6494-128 HD 4D-01 inget 18,0 av 5 av 0 0 0 0 231-240 S6494-128 HD 4D-01 Al trappa + PLEXI 18,0 på 180 på 4300 890 151,79 60,52 241-250 S6494-128 HD 4D-02 inget 18,0 av 5 av 0 0 0 0 251-260 S6494-128 HD 4D-02 Al trappa + PLEXI 18,0 på 180 på 4300 890 151,79 60,52 261-270 S8866-128 4D-01 inget 4,7 av 5 av 0 0 0 0 271-280 S8866-128 4D-01 Al trappa + PLEXI 4,7 på 180 på 4700 970 165,91 65,96 281-290 S8866-128 4D-02 inget 4,7 av 5 av 0 0 0 0 291-300 S8866-128 4D-02 Al trappa + PLEXI 4,7 på 180 på 4700 970 165,91 65,96 301-310 S8866-128 4D-03 inget 4,7 av 5 av 0 0 0 0 311-320 S8866-128 4D-03 Al trappa + PLEXI 4,7 på 180 på 4700 970 165,91 65,96 321-330 S8866-128 4D-03 inget 4,7 på 30 av 0 0 0 0 331-340 S6494-128 2I-35 inget 18,0 på 30 av 0 0 0 0 ID = databas id
STEP = stegmotor av eller på
XLA & XHA = Inställning av Ampere nivå för röntgenröret W LowKV och W HighKV = Beräknad Watt för röntgenröret
Appendix C
Appendix D
D-1
Appendix D
Källkod matlab
D.1 calcMeanEnergy.m
% Program skrivet för examensarbete av Markus Andersson 2004 % Variabelinformation:
% var(128 punkter, 90 mätsteg, 10 mätningar, 8 detektorer) %
% meanStairLow, medel av 10 mätningar för varje detektor % meanStairHigh, medel av 10 mätningar för varje detektor % allStairLow, trapp värden för alla mätningar
% allStairHigh, trapp värden för alla mätningar % allBreakPos, beräknade brytpositioner
% allTan, beräknade tangenter
% allMeanLow, 90 värden med medel på trappa % allMeanHigh, 90 värden med medel på trappa
% allCalcLow, 90x128 värden med beräknade data dvs minus offset % allCalcHigh, 90x128 värden med beräknade data dvs minus offset % allSTDLow, (trapp STD, mätning, detektor)
% allStdHigh, (trapp STD, mätning, detektor)
% koeffAA,koeffBB, sparar alla koeffvärden i dessa beroende på mätning. % Rkvadratvärden och lutning för High och Low
stair = [0.05 .1 .15 .2 .25 .3]'; %tjocklek på trappan i cm
basedir = 'E:\exjobb\mätdata\mätdata-final\'; %huvud dir measure = 'AA'; %mätomgång enddir = '\trappa\'; %slut dir mdir = {'01' '02' '03' '04' '05' '06' '07' '08' '09' '10'}; %mätnings dir detektor = {'S8866 4D-01' 'S8866 4D-02' 'S8866 4D-03' 'S6494 HD 4D-01' 'S6494 HD 4D-02' 'S6494 0C-12' 'S6494 2C-26'
'S6494 2I-35'}; %detektor dir
plotColor = {'b' 'g' 'r' 'c' 'm' 'y' 'k' 'b:'}; %färger i graf %hold on; for i = 1:length(detektor) for j = 1:10 [allStairLow(:,j,i),allStairHigh(:,j,i),allBreakPos(:,j,i),allTan(:,j,i),allMeanLow( :,j,i),allMeanHigh(:,j,i),allCalcLow(:,:,j,i),allCalcHigh(:,:,j,i),allSTDLow(:,j,i), allSTDHigh(:,j,i)] = readStairData([basedir,char(detektor(i)),enddir,measure,'\',char(mdir(j)),'\']); end end %hold off; for i = 1:length(detektor) for j = 1:6 meanStairLow(j,i) = mean(allStairLow(j,1:10,i)); meanStairHigh(j,i) = mean(allStairHigh(j,1:10,i)); end end
%lutning av de linjära regressionslinjerna och r-kvadrat n=length(meanStairLow(:,1));
x=stair;
for i = 1:length(detektor)
y=log(meanStairHigh(:,i)); %hämtar värden och gör om till log
koeffHigh(i)=(n*sum(x.*y)-sum(x)*sum(y)) / (n*sum(x.*x)-(sum(x))^2); RkvadratHigh(i)=((n*sum(x.*y)-sum(x)*sum(y)) / sqrt( ((n*sum(x.*x))-(sum(x)^2))*(n*sum(y.*y)-sum(y)^2)))^2;
y=log(meanStairLow(:,i)); %hämtar värden och gör om till log
