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XX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)翻譯與原文題目： 光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器在乳腺 CT 中應(yīng)用的研究 學(xué)院： 測(cè)試與光電工程學(xué)院 專業(yè)名稱： 測(cè)控技術(shù)與儀器 班級(jí)學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 二 Oxx 年 四 月 九 日基于光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器的數(shù)字成像摘要X 射線探測(cè)器電子設(shè)備（靈敏度和速度）的進(jìn)步可以在矩陣型探測(cè)器上進(jìn)行實(shí)時(shí)快速的單光子探測(cè)。在每個(gè)探測(cè)器像素的電子線路中實(shí)現(xiàn)了光子計(jì)數(shù)和能量分辨。XCounter 公司研制了基于碲化鎘的單晶探測(cè)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(cè)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(cè)高達(dá) 300 KeV。在計(jì)數(shù)模式下僅光子噪聲是很重要的;沒有其他探測(cè)器噪聲源需要考慮。除了放射線沒有其他抵消的信號(hào)。2、每個(gè)探測(cè)器的像素具有兩個(gè)能量閾值。這個(gè)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(duì)比靈敏度。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)將證明這種新的探測(cè)器技術(shù)優(yōu)于常規(guī)的電荷積分型探測(cè)器。參數(shù)改變時(shí)探測(cè)器的校準(zhǔn)過程是面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)，在較長(zhǎng)的曝光時(shí)間中顯得尤其重要。關(guān)鍵詞：材料表征 射線檢測(cè)（ RT） 數(shù)字探測(cè)器陣列 光子計(jì)數(shù) 圖像質(zhì)量 定標(biāo) 雙能量 能量鑒別1、引言光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器提供 X 射線成像的一些獨(dú)特功能。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，光子計(jì)數(shù)探測(cè)器沒有讀出噪聲，無(wú)暗計(jì)數(shù)。在變化的環(huán)境溫度中要求最少的定標(biāo)對(duì)高的探測(cè)效率和探測(cè)器穩(wěn)定的性能來(lái)說這個(gè)特性是重要的。此外，合并每個(gè)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(shí)間間隔在單次曝光中實(shí)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(cè)器所做的第一個(gè)測(cè)試。這些檢測(cè)器是基于早前 MGC700 平臺(tái)的升級(jí)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(jì)數(shù)能力[2] 。2、探測(cè)原理和探測(cè)器的構(gòu)造探測(cè)器 PDT25-DE 由兩個(gè) 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(cè)區(qū)域）的兩固態(tài)的 CdTe 晶體，而 XC-T7550 探測(cè)器由 2x6 個(gè)相同的模塊平鋪起來(lái)形成 50x75 平方毫米這樣一個(gè)較大的探測(cè)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(cè)器中實(shí)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(cè)區(qū)域的重建原則。探測(cè)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(gè)像素實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)計(jì)數(shù)器每次 12 位的數(shù)據(jù)讀寫，計(jì)數(shù)傳遞可調(diào)兩個(gè)門限的光子（第一個(gè)為光子計(jì)數(shù)事件對(duì)噪聲的鑒別，第二個(gè)為低能量計(jì)數(shù)對(duì)高能量計(jì)數(shù)） 。圖 1 顯示了光子計(jì)數(shù)探測(cè)器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況（左側(cè) – 組裝模塊平鋪成探測(cè)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(cè)器圖像。各種其他制造商也存在）圖 2 XC-T7550 探測(cè)器的 75x50 平方毫米的探測(cè)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(gè)具有 75x50 平方毫米探測(cè)器區(qū)域的大探測(cè)器版本 XC-T75550。而且，探測(cè)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(gè)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(cè)光子計(jì)數(shù)原理的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能量閾值可以調(diào)節(jié)。僅具有最小閾值到達(dá)探測(cè)器的光子將被計(jì)數(shù)。首次對(duì)能量閾值的使用進(jìn)行研究以減少射線散射對(duì)圖像的影響。在圖 3 中顯示了一個(gè)鋼鐵階梯型楔塊和兩個(gè)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(gè)階梯輪廓。圖 3: 使用光子計(jì)數(shù)探測(cè)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(gè)具有均勻階梯厚度的階梯楔塊中產(chǎn)生的散射線在每個(gè)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(hào)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(hào)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(cè)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(cè)器的應(yīng)用范圍以及源到探測(cè)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(dòng)管檢測(cè)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(jì)（見圖 5）測(cè)定圖像的質(zhì)量：1、 根據(jù) ISO19232-5 用雙絲型像質(zhì)計(jì)測(cè)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(jì)測(cè)定對(duì)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(shí)間下獲得的。雙絲型 D10（參照?qǐng)D 7a）和單絲型 W11 被探測(cè)到。D10 和 W10 是根據(jù) ISO 17636-2 所需的像質(zhì)計(jì)絲數(shù)，B 等級(jí)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(cè)器。ISO 17636-2，表 B.11 和 B.14 的要求由單絲型像質(zhì)計(jì)足以實(shí)現(xiàn)。這里無(wú)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(duì)于 B 等級(jí)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(cè)量當(dāng)一個(gè)探測(cè)器對(duì)傳入的光子進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，則灰度值在所得圖像中僅通過每個(gè)像素探測(cè)到的光子數(shù)目給出。 X 射線光子流由泊松分布來(lái)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(cè)器的制造公差，每個(gè)像素具有一個(gè)稍有不同的反應(yīng)，這需要探測(cè)器的校準(zhǔn)以均衡像素的變化。這個(gè)校準(zhǔn)步驟是通過使用一個(gè)具有均勻探測(cè)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(gè)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(jì)數(shù)探測(cè)器有灰度值效率 EFF= 1（如[3]） ，所以信噪比模型在[3]中簡(jiǎn)化為：圖 8 測(cè)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(shí)間下測(cè)得的。理想信噪比的線從灰度值的平方根計(jì)算得到的，這可能是光子計(jì)數(shù)探測(cè)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(duì)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?yàn)?70 毫米的圖像灰度值比厚度為 100 毫米的大。對(duì)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(jì)數(shù)數(shù)（和灰度值）僅為 0 或 1 個(gè)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(cè)到的。3.4 依賴于探測(cè)器表面和入射的 X 射線之間角度的基本空間分辨率的測(cè)量這種探測(cè)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(qǐng)參見[4，5]。這是通過移動(dòng) X 射線管從探測(cè)器的一端移動(dòng)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(cè)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(jí)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(shí)別。測(cè)量結(jié)果表明 B 等級(jí)的圖像仍然可以實(shí)現(xiàn)在AOI 向下降低到近 72°時(shí)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) EN ISO17636-2 用于 A 等級(jí)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(shí)別。在表 1 中總結(jié)的測(cè)量表明，即使 AOI 在出現(xiàn)的最低為 45°時(shí)的 SRB 仍高于A 等級(jí)的要求，因此這是可以接受的。在最小的 AOI 為 18 度時(shí)最大 SRB 為 0.25 毫米，這是不能在裝置中機(jī)械地實(shí)現(xiàn)的。盡管在 AOI= 45°時(shí)不同的滲透厚度（測(cè)量 5 和 6）需要確定的雙絲型像質(zhì)計(jì)的絲號(hào)保持不變。只有所識(shí)別單絲型像質(zhì)計(jì)從 W11 減小至 W8，這是為了在相同的曝光時(shí)間高穿透材料厚度時(shí)降低對(duì)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(cè)層（0.75 mm）的厚度應(yīng)顯著增加 SRB 的測(cè)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(lái)補(bǔ)償，由于探測(cè)器與物體的表面平行并且雙絲型像質(zhì)計(jì)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(cè)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(gè)像素探測(cè)到一個(gè)信號(hào)，電路尋找它周圍 8 個(gè)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(hào)這個(gè)像素的計(jì)數(shù)+1 以及防止鄰近的像素各自遞增。4、結(jié)論對(duì)于所提出的測(cè)量，得出以下推導(dǎo)的結(jié)論：●所研究的光子計(jì)數(shù)探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)管道雙臂單影 B 級(jí)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(cè)器的校準(zhǔn)以及探測(cè)器的光子計(jì)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(cè)量證明了這一點(diǎn)?！衩總€(gè)像素尺寸證明了這種直接轉(zhuǎn)換探測(cè)器的基本空間分辨率?！裨趦A斜角度為 45 度時(shí)基本的空間分辨率減少到 0.2 毫米。此驚人的結(jié)果（探測(cè)層的厚度為 0.75 毫米，所以在 45 度時(shí)實(shí)現(xiàn)了 SRB 為 0.27 毫米?。┩ㄟ^電荷共享校正實(shí)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(shí)的檢測(cè)。致謝這里介紹的工作已收到來(lái)自歐盟第七技術(shù)開發(fā)和示范框架計(jì)劃的資助以及在“TomoWELD”的合作項(xiàng)目下 FP7-SME2012 計(jì)劃協(xié)議編號(hào) 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. 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