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XX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計文獻(xiàn)翻譯與原文題目： 光子計數(shù)型探測器在乳腺 CT 中應(yīng)用的研究 學(xué)院： 測試與光電工程學(xué)院 專業(yè)名稱： 測控技術(shù)與儀器 班級學(xué)號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 二 Oxx 年 四 月 九 日基于光子計數(shù)型探測器的數(shù)字成像摘要X 射線探測器電子設(shè)備（靈敏度和速度）的進(jìn)步可以在矩陣型探測器上進(jìn)行實時快速的單光子探測。在每個探測器像素的電子線路中實現(xiàn)了光子計數(shù)和能量分辨。XCounter 公司研制了基于碲化鎘的單晶探測器，單晶可以平鋪到更大的區(qū)域并具有 100 微米的像素尺寸。在 2014 年開始可以使用的最大面積是50x75 平方毫米。這些探測器具有非常有前途的特性，這使得它們非常適合于NDT 方面的應(yīng)用：1、750 微米厚的碲化鎘衰減層允許有效的 X 射線檢測高達(dá) 300 KeV。在計數(shù)模式下僅光子噪聲是很重要的;沒有其他探測器噪聲源需要考慮。除了放射線沒有其他抵消的信號。2、每個探測器的像素具有兩個能量閾值。這個特性可用于雙能量成像以鑒別物質(zhì)。通過能量閾值抑制散射線將提高圖像對比靈敏度。第一個實驗將證明這種新的探測器技術(shù)優(yōu)于常規(guī)的電荷積分型探測器。參數(shù)改變時探測器的校準(zhǔn)過程是面臨的一個挑戰(zhàn)，在較長的曝光時間中顯得尤其重要。關(guān)鍵詞：材料表征 射線檢測（ RT） 數(shù)字探測器陣列 光子計數(shù) 圖像質(zhì)量 定標(biāo) 雙能量 能量鑒別1、引言光子計數(shù)型探測器提供 X 射線成像的一些獨特功能。如果設(shè)計得當(dāng)，光子計數(shù)探測器沒有讀出噪聲，無暗計數(shù)。在變化的環(huán)境溫度中要求最少的定標(biāo)對高的探測效率和探測器穩(wěn)定的性能來說這個特性是重要的。此外，合并每個光子事件脈沖高度鑒別是有可能的，從而使圖像的記錄從多能量時間間隔在單次曝光中實現(xiàn)成為可能。這里提出的工作是基于 XCounter 公司用 PDT25-DE和 XC-T7550 探測器所做的第一個測試。這些檢測器是基于早前 MGC700 平臺的升級版[1] ，它現(xiàn)在采用更小的像素（100 微米） ，雙能量閾值和更快的計數(shù)能力[2] 。2、探測原理和探測器的構(gòu)造探測器 PDT25-DE 由兩個 XCounter 公司 XC225 的 ASIC 泵接合到使用歐姆接觸（25×25 平方毫米的探測區(qū)域）的兩固態(tài)的 CdTe 晶體，而 XC-T7550 探測器由 2x6 個相同的模塊平鋪起來形成 50x75 平方毫米這樣一個較大的探測區(qū)域。該 PDT25-DE 采用 USB2 接口用于控制和圖像傳輸，這限制了最大的幀速率，10 幀/秒。在 XC-T7550 探測器中實現(xiàn)了 G 字節(jié)的以太網(wǎng)絡(luò)接口，它允許幀速變化從 300 幀/秒下降到 2 幀/秒。圖 1 提供了大的平鋪探測區(qū)域的重建原則。探測晶體粘合到下面的 ASIC 用于像素讀出。該 ASIC XC225 具有 100 微米的像素大小，每個像素實現(xiàn)了兩個計數(shù)器每次 12 位的數(shù)據(jù)讀寫，計數(shù)傳遞可調(diào)兩個門限的光子（第一個為光子計數(shù)事件對噪聲的鑒別，第二個為低能量計數(shù)對高能量計數(shù)） 。圖 1 顯示了光子計數(shù)探測器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和無損檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用情況（左側(cè) – 組裝模塊平鋪成探測區(qū)域的構(gòu)造原理，右側(cè) - 使用 2 塊 XCounter 公司搭建的 PDT-25 探測器圖像。各種其他制造商也存在）圖 2 XC-T7550 探測器的 75x50 平方毫米的探測區(qū)域（用 CFRP，黑色覆蓋）在圖 2 中，由 Densimet 公司制成沒有輻射屏蔽殼的一個具有 75x50 平方毫米探測器區(qū)域的大探測器版本 XC-T75550。而且，探測器集成電路的溫度穩(wěn)定由珀耳帖元件進(jìn)行冷卻，在圖中這個元件并沒有顯示。3、結(jié)果與討論3.1 雙能量門限以降低散射線的探測光子計數(shù)原理的一個主要優(yōu)點是能量閾值可以調(diào)節(jié)。僅具有最小閾值到達(dá)探測器的光子將被計數(shù)。首次對能量閾值的使用進(jìn)行研究以減少射線散射對圖像的影響。在圖 3 中顯示了一個鋼鐵階梯型楔塊和兩個圖像（低能量的高達(dá) 80千電子伏和高能量圖像的能量高于 80 千電子伏）以及整個階梯輪廓。圖 3: 使用光子計數(shù)探測器能量閾值減少散射線。在左側(cè)的低能量圖像以及在中間的高能量圖像如圖所示。右側(cè)顯示了貫穿這些圖像的輪廓。與低能量圖像的輪廓相比，高能量圖像輪廓顯示幾乎沒有散射偽影。圖 3 中的輪廓清楚地表明，高能量圖像受到散射線的影響較小。由于非彈性康普頓散射效應(yīng)，散射的光子具有較低能量與入射光子相比。在一個具有均勻階梯厚度的階梯楔塊中產(chǎn)生的散射線在每個階梯上產(chǎn)生了輪廓，然而在恒定厚度的階梯上從衰減層上產(chǎn)生的信號希望是恒定的。在輪廓上的任何變化，像沿著具有恒定厚度的階梯增加的信號或者是由于散射線的影響在階梯邊緣出現(xiàn)過渡層。3.2 高厚度鋼圖像質(zhì)量的測量用雙板組合模擬具有 35 毫米壁厚的鋼管研究這種新的探測器的應(yīng)用范圍以及源到探測器的距離為 405 毫米。在圖 4a 的示意圖和圖 4b 示出了這種設(shè)置的照片。用于該移動管檢測的 X射線管的選擇參數(shù)為最大，270 千伏和 1.11 毫安。用以下的像質(zhì)計（見圖 5）測定圖像的質(zhì)量：1、 根據(jù) ISO19232-5 用雙絲型像質(zhì)計測定總圖象清晰度和基本空間分辨率。2、 根據(jù) ISO19232-1 用單絲型像質(zhì)計測定對比靈敏度。圖 6 顯示了所獲取的圖像在 270 千伏，1.11 毫安和 1600s 的曝光時間下獲得的。雙絲型 D10（參照圖 7a）和單絲型 W11 被探測到。D10 和 W10 是根據(jù) ISO 17636-2 所需的像質(zhì)計絲數(shù)，B 等級和 35 毫米標(biāo)稱壁厚，70 毫米滲透厚度，雙臂單影成像技術(shù)以及 IQI 接近探測器。ISO 17636-2，表 B.11 和 B.14 的要求由單絲型像質(zhì)計足以實現(xiàn)。這里無需任何的補(bǔ)償原理。在基體中規(guī)定的信噪比是 90（圖 7） ，對于 B 等級和寬度大于 50 毫米的材料 ISO 17636-2 規(guī)定的至少是 70。因此這顯然滿足要求。3.3 大厚度鋼標(biāo)準(zhǔn)信噪比的測量當(dāng)一個探測器對傳入的光子進(jìn)行計數(shù)時，則灰度值在所得圖像中僅通過每個像素探測到的光子數(shù)目給出。 X 射線光子流由泊松分布來描述，即標(biāo)準(zhǔn)差只是光子數(shù)的平方根和該像素的灰度值。隨著曝光量的增加，光子的數(shù)目和信噪比也在增加。由于探測器的制造公差，每個像素具有一個稍有不同的反應(yīng)，這需要探測器的校準(zhǔn)以均衡像素的變化。這個校準(zhǔn)步驟是通過使用一個具有均勻探測器曝光量的均勻區(qū)域圖像完成的。在[3]中我們開發(fā)了一個校準(zhǔn)過程的模型，信噪比是由結(jié)構(gòu)噪聲制約的。光子計數(shù)探測器有灰度值效率 EFF= 1（如[3]） ，所以信噪比模型在[3]中簡化為：圖 8 測得的歸一化（通過 SRB=0.1 毫米）信噪比是在給定 70 毫米 100 毫米的厚度和不同的曝光時間下測得的。理想信噪比的線從灰度值的平方根計算得到的，這可能是光子計數(shù)探測器最大的信噪比。 “信噪比適合”這行才是真正的得到的信噪比的曲線，在這兩種情況下，使用最大的信噪比為 150。這最大的信噪比是由校準(zhǔn)圖像確定的。對70 毫米理想信噪比圖線的偏差比厚度為 100 毫米的偏差大，這是因為 70 毫米的圖像灰度值比厚度為 100 毫米的大。對于 100 毫米穿透厚度 1200 幀累積灰度值是 780，即單幀圖像中的平均計數(shù)數(shù)（和灰度值）僅為 0 或 1 個灰度值每幀。即使這些最低可能的灰度值類似于在圖 6 中檢測到的。3.4 依賴于探測器表面和入射的 X 射線之間角度的基本空間分辨率的測量這種探測器的應(yīng)用目標(biāo)是在檢查過程中管子區(qū)域完整體積的三維重建， 。詳情請參見[4，5]。這是通過移動 X 射線管從探測器的一端移動到另一端。這導(dǎo)致在圖 4a 中傾斜角度所從-45°變化到+45°。表 1 顯示了這些測量結(jié)果。隨著AOI 的降低 SRB 開始在 72°和 18°之間減少。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) EN ISO17636-2 的 B 級和滲透厚度為 12 - 40 毫米的 SRB 要求，這意味著雙絲型 D10 可以被識別。測量結(jié)果表明 B 等級的圖像仍然可以實現(xiàn)在AOI 向下降低到近 72°時。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) EN ISO17636-2 用于 A 等級和壁厚為 25- 55 毫米的要求所需的SRB 為 0.2mm，這意味著雙絲型 D7 可以被被識別。在表 1 中總結(jié)的測量表明，即使 AOI 在出現(xiàn)的最低為 45°時的 SRB 仍高于A 等級的要求，因此這是可以接受的。在最小的 AOI 為 18 度時最大 SRB 為 0.25 毫米，這是不能在裝置中機(jī)械地實現(xiàn)的。盡管在 AOI= 45°時不同的滲透厚度（測量 5 和 6）需要確定的雙絲型像質(zhì)計的絲號保持不變。只有所識別單絲型像質(zhì)計從 W11 減小至 W8，這是為了在相同的曝光時間高穿透材料厚度時降低對比靈敏度。大角度好的 SRB 可通過裝置的的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。碲化鎘探測層（0.75 mm）的厚度應(yīng)顯著增加 SRB 的測量值。這是通過在 45 度 AOI 向下 0.071 毫米（1/2 的平方根）減少像素尺寸來補(bǔ)償，由于探測器與物體的表面平行并且雙絲型像質(zhì)計與射束垂直，這是 ISO19232-5 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的。希望的 SRB 是 0.27 毫米。在探測器中新安裝的防巧合功能顯著提高了圖像的空間分辨率。當(dāng)一個像素探測到一個信號，電路尋找它周圍 8 個相鄰像素以及把這些像素中電荷相加。如果像素具有大于其鄰近像素的信號這個像素的計數(shù)+1 以及防止鄰近的像素各自遞增。4、結(jié)論對于所提出的測量，得出以下推導(dǎo)的結(jié)論：●所研究的光子計數(shù)探測器能夠?qū)崿F(xiàn)管道雙臂單影 B 級的檢查以及在 270 千伏下最大壁厚為 35mm 的鋼。圖像的信噪比由影像中的噪聲限制，噪聲用于探測器的校準(zhǔn)以及探測器的光子計數(shù)?！駜?nèi)置的雙能量閾值被成功地用于獲取的圖像中減少散射線。階梯楔塊的曝光中輪廓的測量證明了這一點。●每個像素尺寸證明了這種直接轉(zhuǎn)換探測器的基本空間分辨率。●在傾斜角度為 45 度時基本的空間分辨率減少到 0.2 毫米。此驚人的結(jié)果（探測層的厚度為 0.75 毫米，所以在 45 度時實現(xiàn)了 SRB 為 0.27 毫米?。┩ㄟ^電荷共享校正實現(xiàn)（反巧合功能） ，它是內(nèi)置在 ASIC 中的減少鄰近像素之間電荷的擴(kuò)散。這也補(bǔ)償了傾斜 X 射線照射時的檢測。致謝這里介紹的工作已收到來自歐盟第七技術(shù)開發(fā)和示范框架計劃的資助以及在“TomoWELD”的合作項目下 FP7-SME2012 計劃協(xié)議編號 315213（核能發(fā)電和石化行業(yè)中定量 X 線斷層掃描技術(shù)檢查焊接奧氏體關(guān)鍵管道） 。參考資料[1] K. Spartiotis，ALepp?nen 等。 “光子計數(shù)型碲化鎘伽馬和 X 射線相機(jī)” 在物理研究中的核儀器與方法 A550（2005 ）267-277 。[2] C. Ullberg，M. Urech，N.韋伯 A. Engman，A. Redz，F(xiàn).亨克爾“積分電荷矯正雙能量快速光子計數(shù)碲化鎘探測器的測量“，論文集的 SPIE 卷 8668，86680P（2013）[3] U.Ewert， U. Zscherpel，K. Heyne，M. Jechow，K. Bavendiek， “工業(yè)射線中的數(shù)字圖像質(zhì)量“，材料評估，2012 年 8 月，961-970[4] TomoWELD 項目站點 http://site www.tomoweld.eu[5] U.尤爾特，B. Redmer，C. RADEL，U. Schnars，R.亨里奇，K. Bavendiek 和 M.雅恩：移動計算機(jī)斷層掃描在核能和航空航天工業(yè)中大型靜止部件的檢測，材料交易 532（2012年） ，第 308-310 頁。