Rivelatori a stato solido e
applicazioni in campo medico
Elia Conti
Dipartimento di Ingegneria Elettronica e dell’Informazione
Università degli Studi di Perugia
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Sezione di Perugia
Seminario per il corso di Rivelatori di Particelle – A.A. 2011/2012
Outline
• Esempi di rivelatori a stato solido
– Pixel a integrazione di carica
– Architetture di pixel a integrazione di carica
– RAPS
• Applicazioni di rivelatori a stato solido
nella Radiologia Interventistica
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Esempi di rivelatori a stato solido
Interazione particelle - materia
Particelle cariche:
• Collisioni ➙ Bethe-Bloch, scattering multiplo
• Radiazione emessa ➙ Radiazione di transizione, Cerenkov,
Bremsstrahlung
Fotoni:
• Effetto fotoelettrico
• Effetto Compton
• Produzione di coppie
3
Esempi di rivelatori a stato solido
Proprietà dei semiconduttori
•
I rivelatori a stato solido sfruttano la sensibilità dei semiconduttori alle
radiazioni
•
Una radiazione ionizzante con energia maggiore di Eg trasmette agli elettroni
un’energia sufficiente per farli passare dalla banda di valenza alla banda di
conduzione ➙ creazione di coppie elettrone-lacuna
•
In un semiconduttore intrinseco però queste coppie si ricombinano
velocemente
4
Esempi di rivelatori a stato solido
Fotodiodo
•
Inserendo specie droganti (As, P, Sb: donatori; Ga, B, In: accettori) si aumenta la
concentrazione di cariche mobili all’interno di un semiconduttore
•
Unendo due cristalli di un semiconduttore con drogaggi opposti si ottiene una giunzione p-n
(in realtà per ottenere una giunzione p-n non si uniscono i due pezzi di materiale, ma si
utilizzano tecniche più sofisticate)
•
Per estendere la regione svuotata si applica una differenza di potenziale inversa alla
giunzione
➙ FOTODIODO
•
Con il fotodiodo si ha una generazione di un numero di coppie elettrone-lacuna n
approssimativamente pari a
n=
E
Eg
E: Energia della particella
Eg: Energy gap del
semiconduttore
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Esempi di rivelatori a stato solido
Radiazione e rivelatori allo stato solido
Il Silicio (Si) può essere utilizzato come materiale sensibile virtualmente
per tutte le radiazioni di lunghezza d’onda sufficientemente bassa.
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Esempi di rivelatori a stato solido
Radiazione e rivelatori allo stato solido
Il silicio ha però dei forti concorrenti (semiconduttori e non) nella
rivelazione di radiazioni con lunghezze d’onda sufficientemente elevate…
7
Esempi di rivelatori a stato solido
Radiazione e rivelatori allo stato solido
Sensori a stato
solido a
semiconduttore
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Esempi di rivelatori a stato solido
Radiazione e rivelatori allo stato solido
Diodo P-I-N: si interpone uno strato di silicio intrinseco (non drogato) per allargare la regione
svuotata
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Esempi di rivelatori a stato solido
Pixel
•
Una radiazione ionizzante determina la formazione, nella regione svuotata, di
coppie elettrone-lacuna che si muovono sotto l’azione del campo elettrico
•
Si determina così una corrente lungo il fotodiodo (foto-corrente)
•
La rivelazione della foto-corrente permette quindi di rivelare la particella
•
Segmentazione spaziale del substrato di semiconduttore
➙ struttura planare a pixel
•
La foto-corrente, tuttavia, scarica il fotodiodo riducendo la regione svuotata e
di conseguenza anche la sensibilità del rivelatore
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Esempi di rivelatori a stato solido
Pixel
Due strategie per evitare la scarica del fotodiodo:
i.
Mantenere continuamente la stessa tensione inversa ai capi del fotodiodo: la misura
della foto-corrente generata permette di risalire alla radiazione rivelata
Applicazione: rivelatori a due (o più strati) strati, uno
sensibile e l’altro con l’elettronica di front-end
ii.
Ricaricare periodicamente il il fotodiodo applicando tensione di polarizzazione inversa e
lasciando, per un certo intervallo di tempo (tempo di integrazione), la differenza di
potenziale libera di variare. La caduta di potenziale che verrà misurata sarà
proporzionale all’integrale di carica generata dalla radiazione incidente.
➙ Modalità di integrazione di carica
Applicazione: sensori di immagine commerciali (per la
radiazione visibile)
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Esempi di rivelatori a stato solido
Pixel a integrazione di carica
Principio di funzionamento
Carica accumulata dal fotodiodo:
Qcoll = Iphoto ∙ tint
fotodiodo
La carica è quindi tipicamente convertita in
tensione per mezzo di un condensatore di
capacità C, composta dalla capacità stessa
del diodo e dai componenti parassiti
afferenti (dispositivi, connessioni):
V = Qcoll ∙ C
•
Nella modalità di funzionamento tipica, il diodo viene periodicamente ricaricato
(resettato) ad una determinata tensione inversa, e quindi isolato.
•
Nel tempo, la corrente inversa del diodo, sia di buio (Idark) che fotogenerata (Iphoto)
tende a scaricare la tensione del nodo di uscita V.
•
È possibile effettuare una semplice analisi della tensione V del catodo del fotodiodo in
funzione del tempo, dopo che il diodo stesso è stato resettato.
•
In particolare, si può notare che in queste condizioni la corrente nel condensatore
sarà uguale ed opposta alla foto-corrente:
–
–
poiché il diodo è isolato;
e se viene trascurata la corrente di buio.
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Esempi di rivelatori a stato solido
Passive Pixel Sensors (PPS)
La metodologia di lettura della carica integrata si basa sulla misura della
tensione ai capi di un resistore (necessario a resettare il pixel).
•
•
L’interruttore S viene chiuso per resettare il
pixel alla tensione inversa V
•
Durante il tempo di integrazione tint S è
aperto, consentendo la scarica del
fotodiodo ad un tasso approssimativamente
proporzionale all’illuminazione incidente
•
Quando S viene chiuso nuovamente, la
carica totale che scorre attraverso R per
resettare il pixel è uguale alla carica persa
durante il tempo di integrazione.
Il segnale ai capi della resistenza R è una misura della tensione del
fotodiodo dopo il tempo di integrazione.
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Esempi di rivelatori a stato solido
Passive Pixel Sensors (PPS)
L’idea di base per integrare il singolo pixel in un array fu di utilizzare un unico
resistore di carico in fondo alla colonna di pixel.
out
•
Svantaggio: lungo tempo richiesto
per resettare completamente il diodo
attraverso il resistore R (si fa
particolarmente sentire per array di
grandi dimensioni)
•
I PPS sono praticamente
attualmente in disuso, o limitati ad
array di piccole dimensioni e bassa
velocità di lettura
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Esempi di rivelatori a stato solido
Active Pixel Sensors (APS)
L’architettura di un APS è costituita dal fotodiodo e da un circuito di read-out
basato su tre transistori (pixel 3T)
out
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Esempi di rivelatori a stato solido
Active Pixel Sensors (APS)
Principio di funzionamento (I)
out
•
Il fotodiodo è connesso alla tensione di
reset VRST (che fissa la sua
polarizzazione inversa) attraverso il
transistor Mrst.
•
Quando Mrst viene spento il catodo del
fotodiodo rimane floating e la sua
tensione può quindi variare.
•
Durante il tempo di integrazione, se non
vi sono radiazioni, la tensione ai capi
del fotodiodo decade lentamente per
effetto della corrente di buio che lo
scarica
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Esempi di rivelatori a stato solido
Active Pixel Sensors (APS)
Se però durante il tempo di integrazione il fotodiodo viene colpito da una
radiazione, si ha un repentino abbassamento della tensione
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Esempi di rivelatori a stato solido
Active Pixel Sensors (APS)
Principio di funzionamento (II)
•
Al termine del tempo di integrazione, il
segnale ai capi del fotodiodo viene
trasferito al gate del transistor Msf che
si trova nella configurazione sourcefollower
•
Questa configurazione è tale per cui non
vengono introdotti ulteriori effetti di
perdita che potrebbero scaricare la
tensione ai capi del fotodiodo.
•
La lettura dell’uscita è abilitata dal
transistor Msel che si comporta come un
interruttore controllato dal segnale
ROW SEL (configurazione passtransistor)
out
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Esempi di rivelatori a stato solido
Active Pixel Sensors (APS)
In un sensore a pixel attivi si possono trovare
strutture di questo tipo a matrice rettangolare.
La lettura di ciascun pixel avviene riga per riga abilitando tutti i transistor Msel della
stessa riga e imponendo una corrente su ciascuna colonna.
Alla fine di ciascuna colonna si può leggere la tensione del pixel corrispondente della riga
selezionata.
Il reset dei fotodiodi può essere distribuito riga per riga o può essere comune a tutti i
pixel.
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Esempi di rivelatori a stato solido
Prestazioni dei rivelatori a stato solido
Alcuni parametri:
•
Efficienza quantica η (<1): concentrazione effettiva di coppie e-h generata dai
fotoni assorbiti
•
Full Well Capacity (FWC): massima carica immagazzinabile dal pixel ad una data
•
Fill factor: rapporto tra la superficie sensibile del pixel e la sua area complessiva
•
Range dinamico: rapporto tra il più grande segnale e il più piccolo segnale generabile
tensione di polarizzazione inversa
dal sensore
Superficie sensibile
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Esempi di rivelatori a stato solido
Active Pixel Sensors (APS)
Vantaggi:
•
Integrazione su uno stesso substrato di silicio dell’elemento sensibile e
dell’elettronica di read-out di front-end
•
Utilizzo della tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
ampiamente diffusa in ambito commerciale, che adotta un flusso di progetto
strutturato e consolidato
➙ costi di realizzazione ridotti
•
Ridotto consumo di potenza
Svantaggi:
•
Fill factor < 1 ➙ FWC ed efficienza quantica inferiori
•
Range dinamico ridotto dalla tensione di soglia dei transistor del pixel
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Esempi di rivelatori a stato solido
RAPS: Radiation Active Pixel Sensors
Collaborazione tra Università degli Studi di Perugia, INFN sezione di Perugia e
Università degli Studi di Parma
Sviluppo di sistemi e dispositivi per la rivelazione di radiazioni e particelle ionizzanti
per esperimenti di fisica delle alte energie
RAPS01 (0.18µm)
RAPS02
(0.18µm)
RAPS03 (0.18µm)
RAPS06 (90nm)
Nel corso degli anni sono state realizzate diverse versioni di questi sensori,
caratterizzati da matrici di diverse migliaia di pixel con pitch 10 μm
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Esempi di rivelatori a stato solido
RAPS: Radiation Active Pixel Sensors
Caratterizzazione dei sensori RAPS presso l’INFN di Perugia
(dott. Leonello Servoli)
•
Setup di test
•
Caratterizzazione: verificare la
risposta del sensore a delle
stimolazioni a profondità controllata
•
Il setup è stato utilizzato con flussi
di particelle di diversa natura ed
energia
–
–
–
•
LNF (Frascati)
CERN (Ginevra)
LNS (Catania)
Il setup può essere anche integrato
nel banco ottico presente presso il
Laboratorio Semiconduttori, in
modo da poter testare i sensori con
diverse sorgenti laser.
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Esempi di rivelatori a stato solido
RAPS06
• Sensore: matrice 128x128 pixel
• La lettura della matrice è governata da una logica digitale di controllo e avviene
attraverso una scansione sequenziale, dal pixel in basso a sx a quello in alto a dx
• La logica digitale di controllo prevede 2 modalità di funzionamento:
– scansione singola
– automatica
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Esempi di rivelatori a stato solido
RAPS06 – Logica di controllo
• Per abilitare volta per volta ciascun pixel di una riga/colonna si utilizza un
contatore, che viene incrementato in modo sincrono a un segnale di clock.
• Il valore in uscita al contatore viene utilizzato dai decoder di riga e colonna
per decidere quale riga e colonna abilitare
➙ viene deciso il pixel che deve essere letto in quel determinato istante
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Esempi di rivelatori a stato solido
RAPS06 – Circuiti analogici
• I circuiti analogici vengono utilizzati per accendere/spegnere i tre transistor di ciascun pixel
• L’uscita di ciascun pixel viene selezionata tramite un multiplexer analogico
• A valle del multiplexer c’è un buffer analogico di uscita
• Un buffer, in generale, è un amplificatore con la funzione di riprodurre un segnale in
tensione pari a quello in ingresso, ed è caratterizzato da elevata impedenza di ingresso,
bassa impedenza di uscita, elevato slew rate (massima derivata temporale del
segnale in uscita); in questo modo si evita che circuiti a valle possano alterare il segnale
• Nel chip è anche presente una copia del buffer per poterlo testare a parte
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Esempi di rivelatori a stato solido
RAPS06 – Setup di test
È poi nel setup di test che
avvengono la digitalizzazione e
l’acquisizione del segnale in
uscita al sensore.
scheda
“figlia”
RAPS06
scheda “madre”
A/D
FPGA
circuiti dedicati all’acquisizione
linea dati
PC di gestione
del sistema
linea di controllo
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Outline
• Esempi di rivelatori a stato solido
• Applicazioni di rivelatori a stato solido
nella Radiologia Interventistica
– Elementi di radioprotezione
– Dosimetria individuale
– RAPID
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
Radiologia Interventistica (RI)
•
La Radiologia Interventistica è una branca specialistica della
Radiologia che comprende tutte quelle procedure diagnostiche e
terapeutiche eseguite senza bisogno di accesso chirurgico ai distretti
corporei su cui si opera
•
Queste procedure vengono svolte per via percutanea: gli strumenti
vengono guidati dalle immagini fornite dalle macchine radiologiche
•
Le procedure di Radiologia Interventistica si vanno sempre più
diffondendo ed affermando nella pratica clinica in alternativa alle
tecniche chirurgiche
•
L’angiografia è l’esame radiologico in grado di
evidenziare i vasi sanguigni dei diversi distretti corporei
al fine di studiarne morfologia ed eventuali alterazioni.
•
Il principale svantaggio nelle procedure di RI sta
nell’elevata esposizione, da parte del paziente e
dell'operatore, ai raggi X
•
In particolare, gli operatori si trovano a distanze ridotte
dal paziente, ed operano con prolungati tempi di
esposizione e spesso in assenza di adeguate
schermature (guanti anti X, schermi mobili, ecc.)
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
Elementi di Radioprotezione
• Quando il materiale attraversato da una radiazione ionizzante è un
tessuto biologico, l’alterazione della struttura elettronica di atomi e
molecole corrisponde ad una alterazione della sua funzionalità.
• Sono state identificate delle grandezze fisiche per correlare le
caratteristiche delle radiazioni ionizzanti ai danni biologici
• Le definizioni esatte di tali grandezze sono in continua evoluzione e gli
organismi internazionali a cui fare riferimento sono
– ICRU (International Commission on Radiological Units and Measurements)
– ICRP (International Commission on Radiological Protection)
– NCRP (U.S. National Commission on Radiation Protection)
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
Elementi di Radioprotezione
Grandezze più significative:
1. Dose assorbita: energia assorbita per unità di massa
1 dW
D=
r dV
ρ: densità (kg/m3)
dW/dV: energia per unità di volume (J/m3)
Unità di misura: Gray (1 Gy = 1 J/kg)
2. Dose equivalente: questa grandezza pondera la dose assorbita sul tipo di
radiazione incidente. Infatti, in termini di danni biologici, uno stesso tessuto
risponde in modo differente a seconda del tipo di radiazione incidente, a parità
di dose assorbita.
H = wr × D
wr: fattore adimensionale che tiene conto
della diversa pericolosità dei vari tipi di
radiazione
Unità di misura: Sievert (Sv)
1 Sv a differenza di 1 Gy produce gli stessi effetti biologici indipendentemente
dal tipo di radiazione considerata.
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
Elementi di Radioprotezione
Esempi di valori del fattore wr:
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
Elementi di Radioprotezione
Grandezze più significative:
3. Dose efficace equivalente: questa grandezza pondera la dose equivalente
sul tipo di tessuto investito
Heff = å wtHt
t
wt: pesi che tengono conto della diversa
radiosensibilità dei tessuti irraggiati
Unità di misura: Sievert (Sv)
Esempi di valori di wt
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
Elementi di Radioprotezione
Per farsi un’idea dei più comuni valori di dose equivalente…
•
La dose equivalente tipicamente assorbita da una persona è di ~3
mSv/anno(sommando i contributi di radiazione cosmica, radiazione della Terra,
assunzione di isotopi radioattivi per inalazione o ingestione, esposizione a radiazioni
causate dalle attività umane)
•
Il valore di dose equivalente su tutto il corpo umano letale è di 4 Sv
•
Limiti massimi di esposizione fissati dalla normativa:
(50% della mortalità entro 30 giorni senza trattamento medico)
Decreti Legislativi 230/95 “Attuazione delle direttive 89/618/Euratom, 90/641/Euratom, 92/3/Euratom e 96/29/Euratom in
materia di radiazioni ionizzanti” e 187/00 “Attuazione della direttiva 97/43/EURATOM in materia di protezione sanitaria delle
persone contro i pericoli delle radiazioni ionizzanti connesse ad esposizioni mediche” e successive modifiche ed integrazioni
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
Elementi di Radioprotezione
• Il monitoraggio individuale riveste un importante ruolo nella
radioprotezione degli operatori poiché consente di programmare
opportunamente le esposizioni per mantenere la dose ricevuta da
ciascun lavoratore quanto più bassa possibile e comunque al di sotto
dei limiti stabiliti dalle normative vigenti
• La valutazione della dose ricevuta dai lavoratori viene spesso
effettuata mediante dosimetri individuali
• Dispositivi certificati: dosimetri passivi
– Dosimetri a termoluminescenza (TLD)
– Dosimetri a film
• Range energetico: 10 – 3000 keV
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
Thermoluminescence Dosimeters (TLD)
• I TLD sono costituiti da cristalli (solitamente CaF2 o LiF) con all’interno
una certa percentuale di impurità
• Quando una radiazione investe il cristallo, essa porta alcuni elettroni in
uno stato eccitato in cui restano intrappolati a causa delle impurità
presenti.
• Quando, in fase di lettura, il cristallo viene scaldato (~400°C), questi
elettroni tornano a livelli energetici più bassi, emettendo nella
transizione un fotone, la cui frequenza dipende dal salto energetico
effettuato ed è quindi legata all’energia della radiazione che aveva
eccitato l’elettrone
• I TLD effettuano misure non in tempo reale: i tempi di risposta sono
lunghi (qualche giorno) visto che le fasi di misura e di lettura del
dispositivo sono separate e spesso affidate a servizi sanitari differenti.
• Inoltre i TLD forniscono una misura di dose integrale, non permettono
quindi di ottimizzare istante per istante l'esposizione nelle procedure,
e, poiché la periodicità di sostituzione è mensile, si perde
l'informazione sull'esposizione nei singoli interventi.
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
Active Personal Dosimeters (APD)
• Sono poi disponibili in commercio dei dosimetri attivi
che sfruttano tecnologie a semiconduttore e che
permettono una valutazione in tempo reale della dose
assorbita (alcuni permettono anche di settare un allarme
a un certo livello di dose)
• Unfors EDD-30, Philips DoseAware, Dosilab EDM-III,
Thermo Scientific EPD-Mk2+, ecc.
• Questi dispositivi però non hanno le stesse prestazioni dei
dosimetri passivi con il tipo di raggi X usati durante le
procedure (caratterizzati prevalentemente da basse
energie e campi pulsati)
– È stato dimostrato che la loro risposta è più scarsa rispetto a
quella dei TLD
– L’energy range in cui lavorano ha un limite inferiore maggiore
di quello dei TLD (14 – 48 keV vs. 10 keV)
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
RAPID: Radiation Active Pixel Dosimetry
Collaborazione tra Università degli Studi di Perugia, INFN sezione di Perugia,
ASL 3 Umbria – Foligno e ASL 1 Umbria – Città di Castello
Sviluppo di un nuovo approccio per effettuare il monitoraggio degli
operatori attraverso l’uso di rivelatori a matrice di pixel attivi (APS)
Progetto di un sistema di dosimetria con due obiettivi principali:
1. Effettuare un monitoraggio in tempo reale della dose assorbita dagli
operatori
2. Creare un archivio remoto delle dosi assorbite da ciascun operatore per
ottimizzare la pianificazione delle procedure e ridurre le code
Il dispositivo che si vuole realizzare deve pertanto rispondere ai
seguenti requisiti:
•
•
•
•
Portatile (wireless)
Indossabile (braccialetto, fascia)
Sensibile ai raggi X usati nelle procedure di RI (almeno dai 5 keV in su)
Misura della dose accurata (10%)
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
Architettura del sistema RAPID
Stray radiation
in µSv per Gy∙cm2
Elaborazione
digitale
Unità di
controllo
Sensore
Interfaccia
Wireless
PC remoto
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
RAPID – Lavori in corso…
•
•
•
Caratterizzazione di sensori di immagine
CMOS commerciali e valutazione delle loro
prestazioni come rivelatori di raggi X
(INFN, dott. Leonello Servoli)
Sessioni di misura presso le camere operatorie
degli ospedali di Foligno e Branca con fantoccio
in PMMA e fantoccio antropomorfo simulando
vari tipi di procedure di RI
Studio della correlazione tra risultati di misura
e grandezze dosimetriche
Pixel Signal
(ADC counts)
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Applicazioni di rivelatori a stato solido nella Radiologia Interventistica
RAPID – Lavori in corso…
•
Sviluppo di un prototipo indossabile (DIEI)
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