อิเมจจิงเพลท (Imaging Plate)

Imaging Plate คืออะไร

Imaging Plate เป็นวัสดุบันทึกภาพชนิดใหม่ คล้ายกับฟิล์มที่ใช้บันทึกภาพที่ถ่ายด้วยรังสี ทำจากวัสดุเรืองแสงที่สามารถเก็บพลังงานของรังสีที่ได้รับเอาไว้ แล้วนำมาสแกนด้วยแสงเลเซอร์ ซึ่งจะคายพลังงานโดยเรืองแสงออกมา เทคโนโลยีของสารเรืองแสงนี้ มีการประยุกต์ใช้ครั้งแรกทางการแพทย์ ในงานด้านรังสีวินิจฉัย โดยใช้ในการถ่ายภาพด้วยรังสีเอ๊กซ์ จากนั้นได้มีการประยุกต์ใช้ ในวงกว้างออกไป ทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

สารเรืองแสงจากการกระตุ้นด้วยรังสี (Photo-Stimulable Phosphor)

Imaging Plate ผลิตขึ้นด้วยสารเรืองแสงชนิดพิเศษ ประกอบด้วยวัสดุที่เปล่งแสงออกมาเมื่อได้รับรังสี แสง UV ลำอิเล็กตรอน ความร้อน แรงกระแทก หรืออาจกระตุ้นด้วยปฏิกิริยาเคมีในบางกรณี โดยทั่วไปวัสดุชนิดนี้ เรียกว่า วัตถุเรืองแสง (fluorescent substances) มีลักษณะเป็นผง ซึ่งสามารถเปล่งแสงออกมาได้ เมื่อถูกกระตุ้นบางอย่าง เช่น รังสี แสงที่เปล่งออกมา จะหมดลงทันทีที่หยุดการกระตุ้น ปรากฏการณ์นี้ เรียกว่า "fluorescence" สารเรืองแสงบางชนิด ยังเปล่งแสงออกมาได้ เมื่อหยุดการกระตุ้นแล้ว ซึ่งเรียกว่า "phosphorescence" ส่วนคำว่า "Luminescence" เป็นคำรวมที่ใช้เรียกปรากฏการณ์ในการเปล่งแสงทั้งสองแบบ

ในการพัฒนาสารเรืองแสง หรือ phosphor นั้น มีการพิจารณาคุณสมบัติในการเรืองแสง (luminescence) ทั้งแบบ fluorescence และแบบ phosphorescence เพื่อให้มีความเหมาะสมกับงานแต่ละประเภท มีการศึกษาวิจัย ทั้งการปรับสัดส่วนองค์ประกอบของสารเรืองแสง และขั้นตอนในกระบวนการผลิต สารเรืองแสงที่ใช้ในการผลิต มีคุณสมบัติในการเรืองแสงจากการกระตุ้นด้วยรังสี (photostimulated luminescence, PSL) ซึ่งแตกต่างจาก fluorescent และ phosphorescent ปรากฏการณ์ของ PSL ค้นพบโดย Becquerel นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ตอนกลางศตวรรษที่ 19 ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ วัตถุถูกกระตุ้นครั้งแรกด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง เช่น รังสี และจะเปล่งแสงออกมา เมื่อถูกกระตุ้นครั้งที่สอง ด้วยคลื่นที่มีความยาวคลื่นมากขึ้น ปรากฏการณ์ PSL ไม่ได้รับความสนใจ จนกระทั่งปลายสงครามโลกครั้งที่สอง มีการพัฒนาไปใช้ในการตรวจวัดรังสีอินฟราเรด ของนักวิจัยในกองทัพญี่ปุ่น และใช้บันทึกภาพถ่ายด้วยรังสีในสหรัฐอเมริกา ในปี 1947 Imaging Plate จึงใช้บันทึกภาพจากรังสีเอ๊กซ์ โดยใช้หลักการพื้นฐาน มาจากปรากฏการณ์ของ PSL ในการเก็บข้อมูลที่มาจากรังสี แล้วคายออกมาในรูปของแสง

หลักการของ Imaging Plate

Imaging Plate เป็นแผ่นบันทึกภาพที่มีความยืดหยุ่น ประกอบด้วยผลึกสารเรืองแสงขนาดเล็ก (ขนาดผลึกประมาณ 5 mm) เป็นสารประกอบ barium fluorobromide ที่เจือด้วย bivalent europium เล็กน้อย ทำหน้าที่เป็น luminescence center มีสูตรโมเลกุลเป็น BaFBr: Eu2+เคลือบอยู่บนแผ่นฟิล์ม โพลิเอสเตอร์ (polyester) ทำให้มีองค์ประกอบดังรูปที่ 1

รูปที่ 1 โครงสร้างและส่วนประกอบของ Imaging plate
การถ่ายภาพชิ้นงานบน Imaging Plate มีวิธีการคล้ายกับการถ่ายภาพโดยใช้ฟิล์ม Imaging Plate ที่ถ่ายภาพแล้ว จะนำไปสแกนด้วยแสงเลเซอร์ โดยมีตัวอ่านความละเอียดสูง เก็บรายละเอียดของแสงที่เปล่งจาก phosphor ดังรูปที่ 2
Imaging Plate ที่ฉายรังสีแล้ว เมื่อสแกนด้วยลำแสงเลเซอร์ PSL ที่เปล่งออกมาจะถูกอ่านและส่งผ่าน photomultiplier tube (PMT) ไปยังส่วนอ่านความเข้มแสง และแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า
รูปที่ 2 การสแกนเพื่ออ่านภาพตามปริมาณรังสีจาก Imaging plate

การอ่านความเข้มของแสงที่เปล่งออกมา สามารถปรับค่าความละเอียดได้ตั้งแต่ 5 ถึง 40 pixels/mm ช่วงของความไวของสี (sensitivity range) และความไวของสีในการอ่าน (reading sensitivity) สามารถปรับค่าได้ แสงจาก PSL ที่เปล่งออกมาอยู่ในช่วงแสงสีน้ำเงินม่วง (400 nm) จะถูกอ่านและส่งไปยัง photo-multiplier tube (PMT) เมื่อแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าแล้ว จะถูกเปลี่ยนจากสัญญาณอนาลอกเป็นดิจิตอล ซึ่งปรับค่าได้ระหว่าง 8 -16 bit

ส่วนของ Image analysis และ data processing จะทำงานบนจอแสดงผล (CRT) ภาพที่ปรับแต่งแล้ว (process) สามารถพิมพ์เป็นภาพสีหรือขาวดำ ภาพที่ได้สามารถประยุกต์ใช้ในการวัดปริมาณรังสี โดยแสดงรายละเอียดของปริมาณรังสีแต่ละจุดบนภาพได้ Imaging Plate สามารถลบภาพเดิมด้วยแสง และนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ดังแสดงในรูปที่ 3

Imaging Plate ที่ใช้แล้ว สามารถลบภาพเดิมด้วยแสง และนำกลับมาใช้ใหม่

รูปที่ 3การะบวนการใช้งาน Imaging Plate
ประกอบด้วยการอ่าน การลบ และการนำกลับมาใ้ใหม่

ผลึก BaFX: Eu2+ (X = Cl, Br or I) เป็นสารประกอบอนินทรีย์ มีโครงสร้างเป็นแบบ tetragonal เมื่อแทนที่ Ba ด้วยไอออนของ Eu2+ จะทำให้อยู่ในรูป solid solution เมื่อผลึกนี้ได้รับรังสี อิเล็กตรอนจะถูกจับอยู่ในโครงผลึกที่ว่าง ในส่วนไอออนของ F หรือ X ซึ่งจะทำให้เกิด color centers ขึ้นในผลึกได้ 2 ชนิด ขึ้นกับองค์ประกอบของ F กับ X ส่วนชนิดของ color center สามารถหาได้จากการวัด electron spin resonance (ESR) spectrum จากการทดลองพบว่า ถ้า X = Br และได้รับปริมาณ X-ray ที่เพียงพอ สเปกตรัมของ PSL จะให้แสง (visible rays) ที่สอดคล้องกับ optical density, light current, ESR intensity และ PSL intensity ของ color center นอกจากนั้น ยังตรวจพบว่า ความเข้มของการเรืองสีฟ้า (blue luminescence) แปรตามจำนวนไอออนของ Eu2+ขณะที่การเรืองสีแดง (red luminescence) แปรตามจำนวนไอออนของ Eu3+

จากข้อมูลที่ได้แสดงว่า BaFBr: Eu2+ photo-stimulable phosphor มีกลไกการเรืองแสง ดังนี้: เมื่อ Phosphor ถูกกระตุ้นจากการได้รับรังสีเอ๊กซ์ ไอออน Eu2+จะเปลี่ยนไปเป็นไอออน Eu3+ ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาอยู่ที่ conduction band และถูกจับอยู่ที่ตำแหน่งว่างใน lattices ของผลึก ที่ ตำแหน่ง Br ion ทำให้เกิด color centers ในลักษณะของ metastable state เมื่อ color center ได้รับรังสีอีกครั้ง อิเล็กตรอนที่ถูกจับอยู่ จะหลุดออกเป็นอิสระไปอยู่ที่ conduction band อีกครั้ง หรือทำให้ Eu3+ ions กลายเป็น Eu2+ ion ที่อยู่ในสภาวะเร้า ซึ่งจะเรืองแสงในรูป PSL ออกมา กลไกการเรืองแสง แสดงได้ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 กลไกการเรืองแสงของ Imaging plate

อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้น ถูกจับอยู่ในช่องว่างของโครงสร้างผลึก ตรงส่วนของ halogen ion ทำให้ color center อยู่ที่สภาวะ metastable state และให้พลังงานรังสีออกมา เมื่อฉายด้วยแสงเลเซอร์ และ color center ดูดกลืนไว้ ทำให้อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นอีกครั้ง

อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นจะถูกจับอยู่ที่ halogen ion ตรงตำแหน่งว่างของผลึก ทำให้ color center อยู่ในสภาวะ metastable state และคายแสงออกมา เมื่อฉายด้วยลำแสงเลเซอร์ color center จะดูดกลืนไว้ ทำให้อิเล็กตรอนถูกกระตุ้นอีกครั้ง และจะกลับลงมารวมกับ hole ของ Eu ion ซึ่งเป็น luminescence center โดยคายพลังงานด้วยการเรืองแสงออกมา

ลักษณะเด่นของการใช้ Imaging Plate

วิธีการตรวจวัดปริมาณรังสี มีการพัฒนาขึ้นมาหลายวิธี เช่น การใช้หัววัดรังสีแบบ ionization chamber; scintillation counter, และ proportional counter แต่มีเพียงไม่กี่วิธีที่สามารถตรวจวัดภาพถ่ายของรังสี โดยแสดงเป็นภาพ 2 มิติ ได้แก่ ฟิล์มบันทึกภาพ หัววัดรังสี proportional counter แบบ 2 มิติ การถ่ายภาพรังสีเอ๊กซ์โดยใช้ image intensifier และ X-ray TV ในวิธีการเหล่านี้ เทคนิคที่มีการใช้มากที่สุดคือการถ่ายภาพโดยใช้ฟิล์ม ข้อแตกต่างระหว่าง Imaging Plate กับฟิล์ม แสดงอยู่ในรูปที่ 5 ในการวัดรังสีบีต้าจากไอโซโทปรังสี 32P

รูปที่ 5 เปรียบเทียบคุณสมบัติของ imaging plate กับฟิล์มรังสีเอ๊กซ์ทั่วไป
แกนนอนเป็นปริมาณรังสีจากตัวอย่าง 32P ซึ่งให้รังสีบีต้าพลังงาน 1.7 MeV วัดด้วย liquid scintillation counter แกนตั้งด้านซ้ายเป็นความเข้มของแสงที่เรืองจาก imaging plate แกนตั้งด้านขวาเป็นความดำของฟิล์ม สำหรับขีดจำกัดในการมองเห็น ซึ่งเป็นการแสดงส่วนที่สามารถมองเห็นได้ในภาพ มีค่า 1/10 ของค่าปกติของ determination limit โดยแสดงคุณสมบัติที่คล้ายกันในรังสีบีต้า อิเล็กตรอน รังสีเอ๊กซ์ และรังสีแกมมา ซึ่งจะเห็นลักษณะเด่นได้ชัดเจนเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ตรวจวัดรังสีชนิดอื่น
    1. มีความไวสูง โดยมีความไวมากกว่าฟิล์มหลายสิบเท่า หรืออาจไวกว่าหลายพันเท่า ขึ้นกับชิ้นงานหรือตัวอย่าง
    2. มี dynamic range ที่กว้าง โดยมีช่วงกว้างมากกว่า 104 ถึง 105 ซึ่งสูงกว่าการใช้ฟิล์มที่มีอยู่ในช่วง 102
    3. มีความเป็นเชิงเส้นดีกว่า มีการเรืองแสงแปรผันโดยตรง ตามปริมาณรังสีตลอดช่วง
    4. มีการแสดงรายละเอียด (spatial resolution) ได้สูง เมื่อเปรียบเทียบกับ วิธีการที่ใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์แบบอื่น มีความหนาแน่นของ pixel สูงกว่า
    5. ใช้สัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอลโดยตรงจากเครื่องอ่าน ทำให้มีกระบวนการทางคอมพิวเตอร์ หรือการประสานงานกับระบบอิเล็กทรอนิกส์แบบอื่นได้สะดวก
    6. ใช้ระบบการอ่านรังสีแบบ integral-type detector ทำให้การใช้ imaging plate ในการอ่านค่าของรังสี มี detection counting errors จากรังสีความเข้มสูงน้อยกว่าวิธีการ pulse-type detectors ดังเช่นการใช้หัววัดรังสีแบบ proportional counter และ scintillation counter
    7. ค่าของรังสีจากสิ่งแวดล้อมที่บันทึกอยู่ สามารถลบออกได้ก่อนจะใช้งาน

Imaging Plate จึงสามารถนำมาใช้แทนการวัดรังสีทั่วไป ที่แสดงผลเป็นภาพ นอกจากจะมีความไวสูง และทำให้สังเกตปริมาณรังสีออกมาเป็นภาพได้แล้ว ยังสามารถแสดงปริมาณ หรือความเข้มของรังสีในแต่ละจุดได้ด้วย

ที่มา home.fujifilm.com "What is Imaging Plate"