外文翻译-基于光子计数型探测器的数字成像

XX 大学毕业设计文献翻译与原文题目： 光子计数型探测器在乳腺 CT 中应用的研究 学院： 测试与光电工程学院 专业名称： 测控技术与仪器 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二 Oxx 年 四 月 九 日基于光子计数型探测器的数字成像摘要X 射线探测器电子设备（灵敏度和速度）的进步可以在矩阵型探测器上进行实时快速的单光子探测。在每个探测器像素的电子线路中实现了光子计数和能量分辨。XCounter 公司研制了基于碲化镉的单晶探测器，单晶可以平铺到更大的区域并具有 100 微米的像素尺寸。在 2014 年开始可以使用的最大面积是50x75 平方毫米。这些探测器具有非常有前途的特性，这使得它们非常适合于NDT 方面的应用：1、750 微米厚的碲化镉衰减层允许有效的 X 射线检测高达 300 KeV。在计数模式下仅光子噪声是很重要的;没有其他探测器噪声源需要考虑。除了放射线没有其他抵消的信号。2、每个探测器的像素具有两个能量阈值。这个特性可用于双能量成像以鉴别物质。通过能量阈值抑制散射线将提高图像对比灵敏度。第一个实验将证明这种新的探测器技术优于常规的电荷积分型探测器。参数改变时探测器的校准过程是面临的一个挑战，在较长的曝光时间中显得尤其重要。关键词：材料表征 射线检测（ RT） 数字探测器阵列 光子计数 图像质量 定标 双能量 能量鉴别1、引言光子计数型探测器提供 X 射线成像的一些独特功能。如果设计得当，光子计数探测器没有读出噪声，无暗计数。在变化的环境温度中要求最少的定标对高的探测效率和探测器稳定的性能来说这个特性是重要的。此外，合并每个光子事件脉冲高度鉴别是有可能的，从而使图像的记录从多能量时间间隔在单次曝光中实现成为可能。这里提出的工作是基于 XCounter 公司用 PDT25-DE和 XC-T7550 探测器所做的第一个测试。这些检测器是基于早前 MGC700 平台的升级版1 ，它现在采用更小的像素（100 微米） ，双能量阈值和更快的计数能力2 。2、探测原理和探测器的构造探测器 PDT25-DE 由两个 XCounter 公司 XC225 的 ASIC 泵接合到使用欧姆接触（2525 平方毫米的探测区域）的两固态的 CdTe 晶体，而 XC-T7550 探测器由 2x6 个相同的模块平铺起来形成 50x75 平方毫米这样一个较大的探测区域。该 PDT25-DE 采用 USB2 接口用于控制和图像传输，这限制了最大的帧速率，10 帧/秒。在 XC-T7550 探测器中实现了 G 字节的以太网络接口，它允许帧速变化从 300 帧/秒下降到 2 帧/秒。图 1 提供了大的平铺探测区域的重建原则。探测晶体粘合到下面的 ASIC 用于像素读出。该 ASIC XC225 具有 100 微米的像素大小，每个像素实现了两个计数器每次 12 位的数据读写，计数传递可调两个门限的光子（第一个为光子计数事件对噪声的鉴别，第二个为低能量计数对高能量计数） 。图 1 显示了光子计数探测器在医学领域和无损检测领域中的应用情况（左侧 组装模块平铺成探测区域的构造原理，右侧 - 使用 2 块 XCounter 公司搭建的 PDT-25 探测器图像。各种其他制造商也存在）图 2 XC-T7550 探测器的 75x50 平方毫米的探测区域（用 CFRP，黑色覆盖）在图 2 中，由 Densimet 公司制成没有辐射屏蔽壳的一个具有 75x50 平方毫米探测器区域的大探测器版本 XC-T75550。而且，探测器集成电路的温度稳定由珀耳帖元件进行冷却，在图中这个元件并没有显示。3、结果与讨论3.1 双能量门限以降低散射线的探测光子计数原理的一个主要优点是能量阈值可以调节。仅具有最小阈值到达探测器的光子将被计数。首次对能量阈值的使用进行研究以减少射线散射对图像的影响。在图 3 中显示了一个钢铁阶梯型楔块和两个图像（低能量的高达 80千电子伏和高能量图像的能量高于 80 千电子伏）以及整个阶梯轮廓。图 3: 使用光子计数探测器能量阈值减少散射线。在左侧的低能量图像以及在中间的高能量图像如图所示。右侧显示了贯穿这些图像的轮廓。与低能量图像的轮廓相比，高能量图像轮廓显示几乎没有散射伪影。图 3 中的轮廓清楚地表明，高能量图像受到散射线的影响较小。由于非弹性康普顿散射效应，散射的光子具有较低能量与入射光子相比。在一个具有均匀阶梯厚度的阶梯楔块中产生的散射线在每个阶梯上产生了轮廓，然而在恒定厚度的阶梯上从衰减层上产生的信号希望是恒定的。在轮廓上的任何变化，像沿着具有恒定厚度的阶梯增加的信号或者是由于散射线的影响在阶梯边缘出现过渡层。3.2 高厚度钢图像质量的测量用双板组合模拟具有 35 毫米壁厚的钢管研究这种新的探测器的应用范围以及源到探测器的距离为 405 毫米。在图 4a 的示意图和图 4b 示出了这种设置的照片。用于该移动管检测的 X射线管的选择参数为最大，270 千伏和 1.11 毫安。用以下的像质计（见图 5）测定图像的质量：1、 根据 ISO19232-5 用双丝型像质计测定总图象清晰度和基本空间分辨率。2、 根据 ISO19232-1 用单丝型像质计测定对比灵敏度。图 6 显示了所获取的图像在 270 千伏，1.11 毫安和 1600s 的曝光时间下获得的。双丝型 D10（参照图 7a）和单丝型 W11 被探测到。D10 和 W10 是根据 ISO 17636-2 所需的像质计丝数，B 等级和 35 毫米标称壁厚，70 毫米渗透厚度，双臂单影成像技术以及 IQI 接近探测器。ISO 17636-2，表 B.11 和 B.14 的要求由单丝型像质计足以实现。这里无需任何的补偿原理。在基体中规定的信噪比是 90（图 7） ，对于 B 等级和宽度大于 50 毫米的材料 ISO 17636-2 规定的至少是 70。因此这显然满足要求。3.3 大厚度钢标准信噪比的测量当一个探测器对传入的光子进行计数时，则灰度值在所得图像中仅通过每个像素探测到的光子数目给出。 X 射线光子流由泊松分布来描述，即标准差只是光子数的平方根和该像素的灰度值。随着曝光量的增加，光子的数目和信噪比也在增加。由于探测器的制造公差，每个像素具有一个稍有不同的反应，这需要探测器的校准以均衡像素的变化。这个校准步骤是通过使用一个具有均匀探测器曝光量的均匀区域图像完成的。在3中我们开发了一个校准过程的模型，信噪比是由结构噪声制约的。光子计数探测器有灰度值效率 EFF= 1（如3） ，所以信噪比模型在3中简化为：图 8 测得的归一化（通过 SRB=0.1 毫米）信噪比是在给定 70 毫米 100 毫米的厚度和不同的曝光时间下测得的。理想信噪比的线从灰度值的平方根计算得到的，这可能是光子计数探测器最大的信噪比。 “信噪比适合”这行才是真正的得到的信噪比的曲线，在这两种情况下，使用最大的信噪比为 150。这最大的信噪比是由校准图像确定的。对70 毫米理想信噪比图线的偏差比厚度为 100 毫米的偏差大，这是因为 70 毫米的图像灰度值比厚度为 100 毫米的大。对于 100 毫米穿透厚度 1200 帧累积灰度值是 780，即单帧图像中的平均计数数（和灰度值）仅为 0 或 1 个灰度值每帧。即使这些最低可能的灰度值类似于在图 6 中检测到的。3.4 依赖于探测器表面和入射的 X 射线之间角度的基本空间分辨率的测量这种探测器的应用目标是在检查过程中管子区域完整体积的三维重建， 。详情请参见4，5。这是通过移动 X 射线管从探测器的一端移动到另一端。这导致在图 4a 中倾斜角度所从-45变化到+45。表 1 显示了这些测量结果。随着AOI 的降低 SRB 开始在 72和 18之间减少。根据标准 EN ISO17636-2 的 B 级和渗透厚度为 12 - 40 毫米的 SRB 要求，这意味着双丝型 D10 可以被识别。测量结果表明 B 等级的图像仍然可以实现在AOI 向下降低到近 72时。根据标准 EN ISO17636-2 用于 A 等级和壁厚为 25- 55 毫米的要求所需的SRB 为 0.2mm，这意味着双丝型 D7 可以被被识别。在表 1 中总结的测量表明，即使 AOI 在出现的最低为 45时的 SRB 仍高于A 等级的要求，因此这是可以接受的。在最小的 AOI 为 18 度时最大 SRB 为 0.25 毫米，这是不能在装置中机械地实现的。尽管在 AOI= 45时不同的渗透厚度（测量 5 和 6）需要确定的双丝型像质计的丝号保持不变。只有所识别单丝型像质计从 W11 减小至 W8，这是为了在相同的曝光时间高穿透材料厚度时降低对比灵敏度。大角度好的 SRB 可通过装置的的几何结构进行说明。碲化镉探测层（0.75 mm）的厚度应显著增加 SRB 的测量值。这是通过在 45 度 AOI 向下 0.071 毫米（1/2 的平方根）减少像素尺寸来补偿，由于探测器与物体的表面平行并且双丝型像质计与射束垂直，这是 ISO19232-5 标准规定的。希望的 SRB 是 0.27 毫米。在探测器中新安装的防巧合功能显著提高了图像的空间分辨率。当一个像素探测到一个信号，电路寻找它周围 8 个相邻像素以及把这些像素中电荷相加。如果像素具有大于其邻近像素的信号这个像素的计数+1 以及防止邻近的像素各自递增。4、结论对于所提出的测量，得出以下推导的结论：所研究的光子计数探测器能够实现管道双臂单影 B 级的检查以及在 270 千伏下最大壁厚为 35mm 的钢。图像的信噪比由影像中的噪声限制，噪声用于探测器的校准以及探测器的光子计数。内置的双能量阈值被成功地用于获取的图像中减少散射线。阶梯楔块的曝光中轮廓的测量证明了这一点。每个像素尺寸证明了这种直接转换探测器的基本空间分辨率。在倾斜角度为 45 度时基本的空间分辨率减少到 0.2 毫米。此惊人的结果（探测层的厚度为 0.75 毫米，所以在 45 度时实现了 SRB 为 0.27 毫米！）通过电荷共享校正实现（反巧合功能） ，它是内置在 ASIC 中的减少邻近像素之间电荷的扩散。这也补偿了倾斜 X 射线照射时的检测。致谢这里介绍的工作已收到来自欧盟第七技术开发和示范框架计划的资助以及在“TomoWELD”的合作项目下 FP7-SME2012 计划协议编号 315213（核能发电和石化行业中定量 X 线断层扫描技术检查焊接奥氏体关键管道） 。参考资料1 K. Spartiotis，ALeppnen 等。 “光子计数型碲化镉伽马和 X 射线相机” 在物理研究中的核仪器与方法 A550（2005 ）267-277 。2 C. Ullberg，M. Urech，N.韦伯 A. Engman，A. Redz，F.亨克尔“积分电荷矫正双能量快速光子计数碲化镉探测器的测量“，论文集的 SPIE 卷 8668，86680P（2013）3 U.Ewert， U. Zscherpel，K. Heyne，M. Jechow，K. Bavendiek， “工业射线中的数字图像质量“，材料评估，2012 年 8 月，961-9704 TomoWELD 项目站点 http:/site www.tomoweld.eu5 U.尤尔特，B. Redmer，C. RADEL，U. Schnars，R.亨里奇，K. Bavendiek 和 M.雅恩：移动计算机断层扫描在核能和航空航天工业中大型静止部件的检测，材料交易 532（2012年） ，第 308-310 页。