Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/12406
Title: Masaüstü X-ışını Görüntüleme Sisteminin Dizaynı Ve Üretimi
Other Titles: Design And Production Of Benchtop X-ray Imaging System
Authors: Özben, Cenap Şahabettin
Emirhan, Mehmet Erhan
10126279
Fizik Mühendisliği
Physics Engineering
Keywords: Nükleer görüntüleme
X-ışını
Düşük maliyet
Direkt X-ışını görüntüleme
Si-PIN detektörler
Nuclear imaging
X-ray
Low-cost
Direct X-ray imaging
Si-PIN detectors
Issue Date: 29-Sep-2016
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science And Technology
Abstract: Endüstriyel amaçlı kullanılan numunelerin (boru, tekerlek, cep telefonu, çanta, vb.) iç yapılarının görüntülenmesi on yıllardır önemini koruyan bir konudur. X-ışını radyografisi denilen, X-ışınlarının madde içinde sogurulmasını temel alan görüntüleme, numunelerin iç yapısını görüntüleme konusunda en yaygın kullanılan yöntemdir. Genellikle vakum tüp içerisinde üretilen X-ışınlarının, görüntülenecek numune içerisindeki farklı bölgelerde, farklı oranlarda sogrulması sonucunda, gelen X-ışınlarının şiddeti, numuneyi terk ederken belli oranlarda degişir. Bu değişim, numunenin ardına yerleştirilen algılayıcılar sayesinde algılanarak, numunenin gözle görülmeyen iç yapısı hakkında bilgi taşıyan X-ışınları dagılımı, görünür hale dönüştürülür. Algılayıcılar arasında, kimyasal işlemler sonunda görüntü oluşturan filmler, anında görüntü veren iki boyutlu, yüksek piksek sayısına sahip dijital ışıldayıcı ekranlar, CCD, CMOS, amorf silikon gibi yarıiletken malzeme tabanlı sensör dizilerinden oluşan sistemler bulunmaktadır. Görüntüleme işlemi iyonlaştırıcı radyasyon kullanılarak yapıldıgından, medikal görüntüleme ve endüstriyel görüntüleme işlemlerinde gereksinimler ve kısıtlamalar degişiklik gösterir. Medikal görüntülemede mümkün olan en az dozla, en kısa sürede en yüksek çözünürlüklü, istenilen bölgenin görüntülenmesi esastır. Bununla birlikte endüstriyel görüntülemede ise doz ve zaman kısıtlamaları, medikal görüntülemeye göre daha esnektir. Ancak doz ve zaman kavramlarındaki artışın, görüntülemenin maliyetini artıracagı açıktır. Endüstriyel numunelerin görüntülenmesinde esas amaç yüksek çözünürlüklü ve düşük maliyetli görüntülemedir. Piyasada satılan X-ışını görüntüleme sistemleri genelde CCD veya CMOS sensörler kullanmaktadır ve bu konu ile ilgili literatürde çok az sayıda PIN fotodiyot bazlı çalışma bulunmaktadır. Bugüne kadar üretilen X-ışını görüntüleme cihazlarının yüksek maliyetli oluşu temel olarak, görüntüleme sistemlerinde kullanılan sensör ve sensör dizilerinin üretim maliyetinin yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. Bunun yanında X-ışını üretimi ve kararlılıgı için üretilen cihazların ileri malzeme ve teknolojisi gerektirmesi maliyetlerin artmasına sebep olmaktadır. Tez kapsamında üretilen görüntüleme sisteminin maliyeti 1000 USD 'nin altında tutulmuştur. Bu çalışmada üretilen sistemin ticari benzerlerine göre son derece düşük maliyetli olması çalışmayı bu yönüyle özgün kılmaktadır. Bahsedilen fiyatlarda bir dijital X-ışını görüntüleme sistemin kullanılabilir hale getirilmesi, nükleer görüntüleme alanında önemli bir gelişme olacaktır. Bu tez konusu kapsamında, son derece ucuz, kolay bulunabilen bir Si-PIN fotodiyot olan BPW-34 temelli bir X-ışını görüntüleme sistemi dizayn edilmiş ve üretilmiştir. Kaynak olarak kullanılan X-ışınları CEI OX/70-P dişçi tüpü ile elde edilmiştir. Tüpün anot beslemesi için kendi dizaynımız olan ±20 kV yüksek gerilim saglayabilen güç kaynagı kullanılmıştır. X-ışını fotonlarının, fotodiyodun ara (intrinsic) bölgesinde meydana getirdigi küçük akım, laboratuvarımızda dizayn edilen ve üretilen bir yük hassas önyükseltici ile gerilime dönüştürülmüş ve sonrasında bir şekil kuvvetlendirici ile genliği artırılmıştır. İki boyutlu bir pozisyon tarayıcı yardımıyla objenin hemen arkasına yerleştirilen detektör biriminin pozisyonu degiştirilerek tarama işlemi gerçekleştirilmiştir. Aessent AES220B FPGA ve Arduino modülü yardımıyla data USB üzerinden bilgisayara aktarılmış ve veri gri ölçek siyah-beyaz resme dönüştürülmüştür. X-ışını görüntüleme cihazlarında kullanılan güç kaynakları 5-6000 kV arasında yüksek gerilim ve 0.1-100 mA aralıgında akım sağlayabilme özelliklerine sahiptir. Tez kapsamında üretilen görüntüleme sistemi, çanta, cüzdan gibi kişisel eşya içerigi veya cep telefonu, saat gibi görece küçük ve iç yapısının görüntülenmesinde yüksek enerji ve şiddette X-ışını gerektirmeyecek numuneler için dizayn edilmiştir. Bu amaçla kullanılacak görüntüleme sistemimiz için, kullandıgımız X-ışını tüpüne kararlı gerilim ve akım saglayabilen bir güç kaynağı dizayn edilmiş ve görüntüleme çalışmlarında kullanılmıştır. X-ışını üreteci olarak CEI OX/70-P diş röntgeni uygulamalarında kullanılan X-ışını tüpü kullanılmıştır. Bu tüp 70 kV gerilim ve 8 mA lik akım degerlerinde AC veya DC modda çalışabilen, tungsten anotlu, cam kaplamalı, bir X-ışını tüpüdür. CEI OX/70-PX-ışını tüpü, sıcak katot (filament beslemeli) modunda çalıştıgından, filament gücü, yüksek gerilim güç kaynagından ayrı bir güç ünitesi olmak üzere bir varyak kullanılarak saglanmıştır. Tüpün çalışması için gereken anot-katot arası yüksek gerilim, 0-40 kV ayarlanabilir bir güç kaynagı üretilerek sağlanmıştır. Çift trafo ve çift kaskat sisteminin kullanıldıgı, simetrik gerilim üretebilen (±20 kV) yüksek gerilim güç kaynagının üretilmesi, elektrik izolasyonu konusunda önemli kolaylık saglamıştır. Yüksek gerilim güç kaynağı temel olarak, sinyal genişlik modülatörü (PWM), seri baglı transformatörler ve izolasyon transformatörü, Villard kaskat voltaj yükseltici birimlerinden oluşmaktdır. CEI OX/70-P X-ışını için tüp akımı en fazla mA mertebesinde olacagından, PWM ünitesinde tek MOSFET barındıran yapı tercih edilmiştir. Bu PWM ünitesinde saat sinyali basit bir NE555 devre tasarlanarak saglanmıştır. Bir DC güç kaynağı ile beslenen PWM, MOSFET yardımıyla seri baglanmış transformatörleri anahtarlama görevini yapmaktadır. CEI OX/70-P tüp için gerekli yüksek gerilim, simetrik olarak uygulandığından, negatif kutup için ve pozitif kutup için ayrı transformatörler kullanılmıştır. Bu transformatörler piyasada kolaylıkla bulunabilen, 220VAC şebeke gerilimini 12, 18, 24, 36, 48 VAC değerlerine düşürebilen 25 W lık transformatörlerdir. CEI OX/70-P X-ışını tüpü ile yüksek gerilim altında çalışıldığı durumlarda, şebekeye geri dönüş akımları ile karşılaşılmıştır. Tüp filamentinin uçları arasındaki gerilim 2.5 V olmasına ragmen, filamentin uçlarının topraga göre 20000 V değerinde oluşu bu durumun sebebi olarak değerlendirilmiştir. Filament beslemesi için kullanılacak bir izolasyon transformatörü dizayn ederek bu durumun önüne geçilmiştir. Yüksek gerilim güç kaynagı için üretilen kaskat yükselticiler için kullanılan diyotlar ileri yönde voltaj düşümü az olan hızlı çalışan yüksek gerilim diyotlarıdır. Bu diyotlar için birçok deneme yapılmış ve sonunda 15 kV 'luk piyasadan kolaylıkla temin edilebilen T75A diyotları kullanılmıştır. Kapasitör olarak 8 kV, 10 nF MKP (Metalized Polypropylene) kullanılmıştır. Yüksek gerilim ünitesindeki açık kablolar ve sivri uçlar, etrafındaki havayı hızlıca iyonize ettiginden, bu bölgeler güç kayıplarına neden olmaktadır. Bu nedenle bu bölgelerin yalıtılması son derece önemlidir. Kaskat unitesi, hazırlanan kalıp içerisine epoksi reçine dökülerek havadan tamamen izole edilmiş ve elektriksel yalıtım saglanmıştır. Yüksek gerilim ünitesinin simetrik çıkış verebilmesi için, voltaj katlayıcı ünitelerden iki adet üretilmiştir. Sonuç olarak negatif (-20 kV) ve pozitif (+20 kV) yüksek gerilim iki farklı katlayıcı ünitesinden elde edilmiştir. Görüntüleme işlemi, numunenin hareketsiz bir tutucu üzerine sabitlenerek, BPW-34 Si-PIN fotodiyot tabanlı detektör biriminin, numuneden geçen X-ışınlarını belirli pozisyonlarda algılamasından ve bu verinin analiz edilmesinden oluşmakadır. Detektör birimi tek bir BPW-34 fotodiyottan oluştuğundan, iki boyutta hareket edebilen, motor kontrollü X-Y eksenli tabla dizayn edilmiştir. Tablanın hangi yönde ve ne kadar hareket edecegi, Mach3 kontrol programı ile belirlenmiştir. Genel olarak taramalar, bir başlangıç noktasından itibaren belirlenen adım aralıklarında tablanın ilerletilmesi şeklinde yapılmıştır. Tablanın belirlenen pozisyonlardaki X-ışını sayımları bilgisi, dizayn edilen detektör ve veri aktarma birimi yardımıyla bilgisayara aktarılmaktadır. X-Y eksenli tablanın hareketi, detektörün kaydettigi sayımlarla senkronize olmalıdır. Bunun için tabla bir adım ilerlediginde, detektör sayım almaya başlamakta, tablanın takip eden hareketine başladıgı anda, detektör sayım değeri bilgisayara aktarılarak sıfırlanmakta ve yeni pozisyon için sayım başlatılarak işlem devam etmektedir. Tablanın eksenleri en küçük yerdegiştirmesi 30 µm olan sonsuz miller üzerinde hareket etmektedir. Bu durum, görüntüleme sisteminin uzaysal çözünürlügünün 30 mikron oldugu anlamına gelmektedir. Tablanın her pozisyon değiştirmesi durumunda detektör verisinin bilgisayara aktarılıp, sıfırlanması ve detektörün kendisini yeni gelen veriye hazırlaması gerekmektedir. Detektör birimi, dijital ve analog sinyal çıktısı verebilmektedir. Görüntüleme oluşturma çalışmalarında dijital sinyal çıktısı öncelikle tek detektör kullanılarak Arduino Mega yardımıyla bilgisayara aktarılmıştır. Sinyallerin aktarma ve sıfırlama işlemlerinin motor hareketiyle senkronizasyonu, basit bir lojik devre dizayn edilerek saglanmıştır. X ve Y motorlarının hareket etme anında, motor sürücü devredesindeki aktif olan sinyal her iki motor için de belirlenip 74LS32 (OR) mantık devresine giriş olarak verilmiştir. Böylece herhangi bir motorun hareket ettigi durumlar bu sinyal kullanılarak belirlenmiştir. Ancak bu sinyaller mikrosaniye mertebesinde oldugundan işlenmesi kolay degildir. Bu zorluk bir sinyal genişletici lojik devresi ile çözülmüştür. NE555 ve 74LS04 entegre devreleri kullanılarak dizayn edilen bu devre sinyallerin milisaniye mertebesine genişletilmesini saglanmıştır ve bu sinyal Arduino birimine dijital giriş olarak tanıtılmıştır. Tarama alanı bölgesinde alınan veri kaydedildikten sonra görüntü oluşturma kodu geliştirilmiş ve veri gri ölçek (0-255) görüntüye dönüştürülmüştür. Tarama işlemi, veri algılama aşamasında tek detektör kullanıldıgından görece uzun sürmektedir. Örneğin, 5 cm × 5 cm lik bir tarama alanı, 200 µm adım aralıklarında ve her adımda 1 saniye beklenilmesi durumunda 17 saat sürmektedir. Tüpün tipik çalışma voltajı olan 70 kV tan çok daha düşük 30 kV gerilimlerde ve 5 µA tüp akımlarında çalışıldıgında, sürenin uzun olması, anotta önemli sıcaklık artışlarına ya da tüpte herhangi bir olumsuzluğa sebep olmamıştır. Bununla beraber uzun çalışma süresi, tüpe uygulanan voltajda zamanla meydana gelebilecek degişimlerin olasılığını artırmıştır. Bu durum, görüntü oluşturma algoritmasında, ikinci bir detektörle monitöre ettigimiz, tüpten direkt gelen X-ışınlarının sayımlarındaki degişiklikler göz önüne alınarak düzeltme faktörü olarak eklenmiştir. CEI OX/70-P X-ışını tüpünden üretilen ve numuneden saçılarak dogrultu değiştiren fotonların, oluşturulşan gri ölçek görüntü üzerindeki etkilerini en aza indirmek için detektörün hemen önüne basit bir kolimatör yerleştirilmiştir. Kolimatör, 2.5 mm kalınlıgında alüminyum levha üzerinde 1 mm lik delik açılarak oluşturulmuş ve detektörün aktif bölgesinin tam ortasına yerleştirilmiştir. Böylece X-ışınlarının bu delikten geçerek detektöre ulaşması sağlanarak, numune içerisinde saçılmaya ugrayarak gelen X-ışınlarının detektöre ulaşması büyük oranda engellenmiştir. Tez konusu kapsamında üretilen X-ışını görüntüleme cihazı kullanılarak altı farklı numune için radyografi görüntüleri elde edilmiştir. Görüntülerdeki fonun bir biçim olmayışı, üretilen X-ışınlarının şiddetindeki küçük değişimleri göstermektedir. Bu değişimlerin kaynağının, yüksek gerilim kaynağındaki voltaj dalgalanmaları, tüp akımını saglayan varyak ve izolasyon transformatöründeki akım-voltaj değişimleri gibi etkenler olduğu sonucuna varılmıştır. Saatler mertebesindeki uzun görüntüleme süreleri boyunca, sistem kararlı çalışmış ancak yine de meydana gelen degişiklikler görüntüyü etkilemiştir. Fon düzeltmesi için, donanımsal degişiklikler yerine, bir başka BPW34 tabanlı detektör birimi kullanılmıştır. Numuneden geçmeden detektöre ulaşan X-ışınlarının şiddetinin kaydedilmesi ve görüntü oluşturma algoritması içerisine düzeltme faktörü olarak kullanılması sonucunda, fondaki şiddet degişimleri büyük oranda ortadan kalkmıştır. BPW34 Si-PIN fotodiyotlar, tez kapsamındaki görüntüleme çalışmalarında kullanılan X-ışını enerjilerinde (20-30 keV) düşük verime sahiptir. Işıldayıcı kristal kullanımı, radyasyon detektörlerinin verimini artırmada kullanılan en önemli etkendir. CsI kristali bu baglamda, görece düşük maliyeti, üretim kolaylığı, etkin sinyal oluşturma hızı ve duyarlılığı bakımlarından avantaj sağlar ve detektör sistemlerinde yaygın bir şekilde kullanılır. Tez kapsamında çalışılan bir diğer konu da dikine Bridgman tekniği kullanılarak CsI kristalinin büyütülmesi olmuştur. Üretilen dijital görüntü verisinin birden fazla detektör yardımıyla alındığı durumda, tüm detektörlerden aynı anda bilgisayara ya da bir saklama birimine transfer edilmesi için FPGA birimi ile çalışılmıştır. Dört BPW34 Si-PIN fotodiyot tabanlı detektör ünitesi yanyana getirilerek oluşturulan düzenekteki her bir detektör veri FPGA yardımıyla bilgisayara aktarılmış ve detektör sayımları degerlendirilmiştir. Işıldayıcı kristal büyütme ve bunun lineer bir detektör serisine entegre edilip, örneklerin iç yapısını temsil eden sinyal bilgisinin FPGA birimi ile aktarılması sonucunda dijital X-ışını görüntüsü oluşturma çalışmaları, bu tezi bir adım ileriye taşımak için yapılacak gelecek çalışmalar olarak değerlendirilmiştir.
A low cost X-ray imaging device based on BPW-34 Si-PIN photodiode was designed and produced. X-rays were generated from a CEI OX/70-P dental X-ray tube using a custom made ±20 kV power supply. A charge sensitive preamplifier and a shaping amplifier were built for the amplification of small signals produced by photons in the BPW-34 Si-PIN photodiode. A two dimensional position control unit was used for moving the detector in small steps to measure the intensity of X-rays absorbed in the object to be imaged. An Arduino Mega 2560 micro controller and Aessent AES220B FPGA module was used for transferring the image data to a computer via USB. Images of various samples were obtained with acceptable image quality despite of the low cost of the device. Designing a device for fast imaging time was not the main motivation in this thesis. However, having an acceptable image quality together with reduced cost and simple design were the main considerations. Total cost of the imaging device presented in this thesis is under 1000 USD. Filtering applications based on known energy spectrum are helpful tools to obtain images with better quality. For that reason, energy spectra of the CEI OX/70-P tube for different tube voltages were determined. Additionaly, energy spectra of CEI OX/70-P dental tube were determined experimentally and were compared with Geant 4 simulation results. Beside the experimental and simulation comparison studies, energy spectra were taken with BPW-34 Si-PIN photodiode and a commercial spectrometer Amptek X123 to ensure the consistency within the experimental spectra. In these studies, the geometries of BPW-34 Si-PIN photodiode, CEI OX/70-P tube and Amptek X123 detector, provided by the manufacturers, were embedded in Geant 4 simulations. A power supply was necessary to provide high tension between anode and cathode of the tube. It was produced as three stages. The first stage was a Pulse Width Modulator (PWM) circuit with adjustable frequency and duty. PWM was used for generating high frequency signal for feeding up two identical step-up transformers. Two identical step-up transformers were driven by a MOSFET circuitry after the PWM in the second stage. Instead of using a high voltage transformer, driving simple transformers with an optimum frequency PWM signal has provided the high voltage we need. Finally, a well-known Villard-Cascade voltage multiplication topology was used to multiply the initial stepped-up potential to the desired value. The multiplier units are simple circuits made from diodes and capacitors. In this method, an n-stage voltage multiplier unit produce 2n folded output voltage. The multiplier unit was designed to give 10-fold increase in the output voltage. We have also designed a negative 10-stage voltage multiplier unit by simply reversing the polarities of all the multiplier diodes. Instead of running the tube for our measurements with a single supply (+40 kV), it was preferred to generate a symmetrical high voltage (±20 kV) with two independent cascade units. This helps to overcome unwanted discharges and to ease electrical isolation problems. A custom made filament transformer was wounded as an isolation transformer and it was embedded in epoxy-resin to provide electrical. The isolation transformer was used between the mains and the filament power supply running at 2 VAC and 1.5 A current in regular operating conditions. Drifts in the filament current or tube voltage cause X-ray intensity to change and this can degrade the image quality. Most industrial type power supplies used for X-ray tubes are designed with feedback circuitry to stabilize the voltage/current output. However, our design does not include such a feedback control for simplicity. Instead of this, drifts problem was solved by correcting the image when necessary by using the data obtained from an X-ray intensity monitor. Since there were no feedback controls for precise regulation of the filament current and the high voltage of the tube, X-ray intensity was continuously monitored with another BPW-34 based detector designed. In order to investigate the magnitude of X-ray intensity fluctuations which may deteriorate the image quality, we have recorded the intensity of incident X-rays during imaging time. To minimize the image reconstruction artifacts, the object-detector distance was chosen to be smallest possible and single hole aluminum collimator was used to minimize the scattered X-rays from large angles. The image data containing the position information and the count rate were constructed as gray-scale images. Scintillator crystals have an important role in nuclear imaging to convert ionizing radiation to visible or ultraviolet photons. They permit to increase speed of response, the accuracy and the sensitivity of the radiation sensors. The CsI crystals are widely used scintillators in the nuclear detection systems due to its relatively low hygroscopicity, cost and high atomic number. Vertical Bridgman crystal growth technique was studied to produce single CsI scintillator using three temperature zone Crystalox vertical Bridgman Single Crystal Growth System equipment. The system designed includes single Si-PIN photodiode as a detector. When this is the case, it is required to move either the object or the detector through the region of interest. In order to ensure the possibility of working with liquid containing samples, moving the detector within the defined limits was preferred. For that reason, a 2D scanning bench consisting of two linear trays positioned perpendicular was used. The one on top has a load-bearing panel and the detector box was fixed on it. Linear axis trays were moved by two step motors placed on each side of the trays. Since parallel port is the easiest way to communicate with the peripherals, the motor drivers were connected to the parallel port of the computer using a communication board. Mach3 CNC Software package program was used for controlling the software of the X-Y scanning bench. Coding language for Mach3 is special and called as G-code programming language. Loop properties of the G programming language was used in the automatized movements of the motors. Writing the G-code using loop structure reduced the time spent for coding and removed the motor fails. One can adjust the speed of acceleration, step size, start-stop positions with a graphical user interface (GUI). Synchronization between transferring of the data and motor motions should be established for error free data taking. A pilot signal was produced in the motor driver unit when motors were active. This pilot signal was processed to be able to transfer the image data to the computer properly. A delay circuitry was built using NE555 integrated circuit to have an interrupt during the motion of the detector between the scan steps. Thereby, we could track the position of the motors when they were moving. Image data was transferred to computer via an Arduino unit when a single Si-PIN photodiode used as a detector. Combination of hardware units enabled us to obtain X-ray images of various samples with accepted image quality. Depending on the desired resolution, images may take up to several hours even for small sized objects. However, when time is not number one priority, this device can provide a good quality X-ray images at low cost. The time requirement for imaging with only one pixel detector is relatively long. Thus, a multidetector array, which compromises 24 BPW-34 detectors was designed and produced. Imaging with this detector array required using an FPGA to transfer the data from detectors to the computer simultaneously. For test purposes, an FPGA code for four detectors was written and it was tested during real data taking. There are some improvements can be made in the future with the cost of extra labor. One of them is using a detector array to reduce the scanning time. Additionally using scintillators in front of photodiodes will dramatically increase the efficiency. Collimator studies are also worth obtaining scatter free images. These additions in hardware will not change the overall cost dramatically. However, they will shorten the scanning time.
Description: Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016
Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016
URI: http://hdl.handle.net/11527/12406
Appears in Collections:Fizik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
10126279.pdf14.3 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.