Basics of Digital Detector Technology in Radiology
Viinikka, Pekka (2019)
Viinikka, Pekka
2019
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2019091018366
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2019091018366
Tiivistelmä
The purpose of this thesis study was to create an information document on the essentials of digital detector technology used in medical imaging. The demand for the work was actual at a technical service unit at Helsinki University Central Hospital. While today the focus of typical detector service lies at software, communications, calibration and modular hardware level, it is helpful for X-ray technicians to get to know some key physics theory behind the operation principle of the devices and to acquire a general understanding of important functional parameters and advanced technical solutions common to modern detector systems. The resulting work could function as a basic theory reference, if an unfamiliar service task requires some additional background information, or, if a quick memory refreshment is needed.
The research began by consulting experts on the extent of the installed and mobile detector base in the hospital. It became clear that the most advanced detectors were on socalled hybrid PET/CT-systems, while the whole selection ranges all the way from wireless X-ray detector panels to integrated imager arms on medical linear accelerators. A general survey on typical detector maintenance procedures and service and deployment tasks was performed. These included different calibrations, establishing data communication networks, battery replacements and PCB-module replacements. Based on comments and recommendations, several different information sources, such as maintenance manuals on digital detector technology, were gathered and thoroughly researched. A comparison table on different imaging modalities and their respective detector types was composed, after which the actual writing process was commenced, where the fundamental physics and technological components would first be explained before starting the more detailed structural analysis of clinical detector systems.
The result of the work is essentially a five-chapter document where the main chapters handle the nature of the radiation used in radiology, the operation principle of a typical detector, and finally provide an overview on the most common modern digital detectors used in different imaging modalities today. Before the summary, prospects of future detector concepts are briefly examined. Medical technicians should find the work a helpful, simplified report covering the most common detector types and their structures. Opinnäytetyön tarkoituksena oli laatia lääketieteellisessä kuvantamisessa käytettävien digitaalisten ilmaisimien teknisiä perusteita käsittelevä tietodokumentti, joka voisi tulla hyötykäyttöön Helsingin yliopistollisen keskussairaalan teknisessä huoltoyksikössä. Vaikka nykypäivänä ilmaisimille tehtävien huoltojen painopiste on ohjelmisto-, tietoliikenne-, kalibrointi- ja modulaarisella laitteistokomponenttitasolla, on huoltohenkilökunnalle hyödyllistä tutustua laitteiden toimintaperiaatteen taustalla olevien fysikaalisten ilmiöiden keskeiseen teoriaan sekä saada yleinen käsitys nykyaikaisten ilmaisinjärjestelmien suorituskyvylle olennaisimmista parametreista ja teknisistä ratkaisuista. Tuloksena oleva työ voisi toimia teoreettisena referenssinä, mikäli esimerkiksi aikaisemmin suorittamaton huoltotehtävä kaipaisi täydentävää lisätietoa tai vaikkapa pikainen muistinvirkistys detektorin rakenteesta olisi paikallaan.
Tutkimus aloitettiin selvittämällä sairaalan kiinteän ja mobiilin ilmaisinlaitekannan laajuus. Edistyneimmät ilmaisimet löytyvät ns. PET/CT-hybridijärjestelmistä, valikoiman vaihdellessa tavanomaisista langattomista röntgenilmaisinpaneeleista lineaarikiihdyttimien integroituihin malleihin. Normaalit huoltomenettelyt ja tyypilliset huolto- ja käyttöönottotehtävät otettiin huomioon. Näihin lukeutuvat erilaiset kalibroinnit, tietoliikenneyhteyksien luominen, sekä akkujen ja piirilevymoduulien vaihdot. Kommenttien ja suositusten perusteella kirjallisuuslähteiksi valikoitui monipuolisesti alan dokumentteja, kuten valmistajakohtaisia ilmaisimen kunnossapitokäsikirjoja, joita tutkittiin perusteellisesti. Laadittiin vertailutaulukko erilaisista kuvantamismenetelmistä ja niiden yleisimmistä ilmaisintyypeistä, minkä jälkeen aloitettiin varsinainen kirjoitusprosessi, jossa fysiikaaliset ja tekniset perusteet selvitettäisiin ennen kliinisten ilmaisinjärjestelmien yksityiskohtaisempaan rakenteeseen paneutumista.
Työn tuloksena on viiteen päälukuun jaettu tietopaketti, jonka pääluvuissa kerrotaan radiologiassa käytetyn säteilyn luonteesta, tyypillisen ilmaisimen toimintaperiaatteesta ja luodaan lopuksi katsaus kuvantamismenetelmäkohtaisesti yleisimpiin nykypäivän digitaalisiin ilmaisintyyppeihin. Ennen yhteenvetoa tarkastellaan lyhyesti tulevaisuuden detektorikonsepteja. Lääketieteen tekniikan ammattilaiselle työ toimiii hyödyllisenä, yksinkertaistettuna raporttina, joka kattaa yleisimmät ilmaisintyypit ja niiden rakenteet. Syftet med detta examensarbete var att sammanställa ett informationsdokument om det väsentliga med digital detektorteknologi som används vid medicinsk avbildning. Dokumentet skulle sedermera kunna utnyttjas vid en teknisk serviceenhet vid Helsingfors universitets centralsjukhus. Även om det moderna detektorernas service ligger på mjukvaru-, kommunikations-, kalibrerings- och modulära hårdvarunivån, kan det ändå visa sig nyttigt för röntgentekniker att lära känna lite grundläggande fysikteori bakom enheternas driftsprincip och få en allmän förståelse för viktiga funktionsparametrar och avancerade tekniska lösningar i moderna detektorsystem. Det resulterande arbetet kan fungera som en grundläggande teorireferens om t.ex. en ovanlig serviceuppgift kräver ytterligare bakgrundsinformation eller en förfriskning av minnet om detektorteknik behövs.
Arbetet inleddes med att ta reda på omfattningen av den fasta och mobila detektorbasen på sjukhuset. Det blev tydligt att de mest avancerade detektorerna finns på så kallade hybrid PET/CT-system medan hela sortimentet sträcker sig från trådlösa röntgendetektorpaneler till integrerade detektorarmar på linjäracceleratorer. De normala underhållsrutinerna och typiska serviceuppgifter noterades. Dessa innehåller olika kalibreringar, etablering av nödvändiga datakommunikationsförbindelser, batteribyten och PCB-modulersättningar. Baserat på rekommendationer insamlades det flera olika informationskällor som noggrant undersöktes. Bland dessa fanns det t.ex. några tillverkarspecifika underhållningshandböcker för digitala detektorsystem. En jämförelsetabell över olika modaliteter och deras respektiva detektortyper sammanställdes, varefter den egentliga skrivprocessen kunde påbörjas. Där redogjordes det först om den grundläggande fysiken och tekniska komponenterna, innan processen skulle fortsättas med en mer detaljerad analys av strukturen i kliniska detektorsystem.
Resultatet av arbetet är ett fem kapitels dokument där huvudrubrikerna hanterar egenskaper av strålningen som används inom radiologin, driftsprincipen för en typisk detektor och slutligen ger en översikt över de vanligaste digitala detektortyper idag. Innan sammanfattningen granskas utsikterna för framtida detektorkoncept kort. Medicintekniska servicearbetare ska kunna profitera av arbetet, som är skapat till att vara en användbar och förenklad rapport som täcker de vanligaste detektortyperna och deras strukturer.
The research began by consulting experts on the extent of the installed and mobile detector base in the hospital. It became clear that the most advanced detectors were on socalled hybrid PET/CT-systems, while the whole selection ranges all the way from wireless X-ray detector panels to integrated imager arms on medical linear accelerators. A general survey on typical detector maintenance procedures and service and deployment tasks was performed. These included different calibrations, establishing data communication networks, battery replacements and PCB-module replacements. Based on comments and recommendations, several different information sources, such as maintenance manuals on digital detector technology, were gathered and thoroughly researched. A comparison table on different imaging modalities and their respective detector types was composed, after which the actual writing process was commenced, where the fundamental physics and technological components would first be explained before starting the more detailed structural analysis of clinical detector systems.
The result of the work is essentially a five-chapter document where the main chapters handle the nature of the radiation used in radiology, the operation principle of a typical detector, and finally provide an overview on the most common modern digital detectors used in different imaging modalities today. Before the summary, prospects of future detector concepts are briefly examined. Medical technicians should find the work a helpful, simplified report covering the most common detector types and their structures.
Tutkimus aloitettiin selvittämällä sairaalan kiinteän ja mobiilin ilmaisinlaitekannan laajuus. Edistyneimmät ilmaisimet löytyvät ns. PET/CT-hybridijärjestelmistä, valikoiman vaihdellessa tavanomaisista langattomista röntgenilmaisinpaneeleista lineaarikiihdyttimien integroituihin malleihin. Normaalit huoltomenettelyt ja tyypilliset huolto- ja käyttöönottotehtävät otettiin huomioon. Näihin lukeutuvat erilaiset kalibroinnit, tietoliikenneyhteyksien luominen, sekä akkujen ja piirilevymoduulien vaihdot. Kommenttien ja suositusten perusteella kirjallisuuslähteiksi valikoitui monipuolisesti alan dokumentteja, kuten valmistajakohtaisia ilmaisimen kunnossapitokäsikirjoja, joita tutkittiin perusteellisesti. Laadittiin vertailutaulukko erilaisista kuvantamismenetelmistä ja niiden yleisimmistä ilmaisintyypeistä, minkä jälkeen aloitettiin varsinainen kirjoitusprosessi, jossa fysiikaaliset ja tekniset perusteet selvitettäisiin ennen kliinisten ilmaisinjärjestelmien yksityiskohtaisempaan rakenteeseen paneutumista.
Työn tuloksena on viiteen päälukuun jaettu tietopaketti, jonka pääluvuissa kerrotaan radiologiassa käytetyn säteilyn luonteesta, tyypillisen ilmaisimen toimintaperiaatteesta ja luodaan lopuksi katsaus kuvantamismenetelmäkohtaisesti yleisimpiin nykypäivän digitaalisiin ilmaisintyyppeihin. Ennen yhteenvetoa tarkastellaan lyhyesti tulevaisuuden detektorikonsepteja. Lääketieteen tekniikan ammattilaiselle työ toimiii hyödyllisenä, yksinkertaistettuna raporttina, joka kattaa yleisimmät ilmaisintyypit ja niiden rakenteet.
Arbetet inleddes med att ta reda på omfattningen av den fasta och mobila detektorbasen på sjukhuset. Det blev tydligt att de mest avancerade detektorerna finns på så kallade hybrid PET/CT-system medan hela sortimentet sträcker sig från trådlösa röntgendetektorpaneler till integrerade detektorarmar på linjäracceleratorer. De normala underhållsrutinerna och typiska serviceuppgifter noterades. Dessa innehåller olika kalibreringar, etablering av nödvändiga datakommunikationsförbindelser, batteribyten och PCB-modulersättningar. Baserat på rekommendationer insamlades det flera olika informationskällor som noggrant undersöktes. Bland dessa fanns det t.ex. några tillverkarspecifika underhållningshandböcker för digitala detektorsystem. En jämförelsetabell över olika modaliteter och deras respektiva detektortyper sammanställdes, varefter den egentliga skrivprocessen kunde påbörjas. Där redogjordes det först om den grundläggande fysiken och tekniska komponenterna, innan processen skulle fortsättas med en mer detaljerad analys av strukturen i kliniska detektorsystem.
Resultatet av arbetet är ett fem kapitels dokument där huvudrubrikerna hanterar egenskaper av strålningen som används inom radiologin, driftsprincipen för en typisk detektor och slutligen ger en översikt över de vanligaste digitala detektortyper idag. Innan sammanfattningen granskas utsikterna för framtida detektorkoncept kort. Medicintekniska servicearbetare ska kunna profitera av arbetet, som är skapat till att vara en användbar och förenklad rapport som täcker de vanligaste detektortyperna och deras strukturer.