BR112020021958A2 - estimativa de taxa de contagem de entrada em detectores de pulso de radiação. - Google Patents
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Abstract
ESTIMATIVA DE TAXA DE CONTAGEM DE ENTRADA EM DETECTORES DE PULSO DE RADIAÇÃO. Trata-se de um método de estimativa de uma taxa de contagem de entrada de um detector de pulso de radiação de um sinal de detector em que alguns pulsos de sinal individuais que formam o sinal de detector são proximamente espaçados em um tempo menor do que uma lacuna de detecção confiável mínima (104,105; t_c, t_d). Em um aspecto, os pulsos de sinal individuais são detectados com uso de um algoritmo de detecção e uma pluralidade de tempos de início de intervalo (s_k ) são definidos, cada um interposto com pelo menos um dos tempos de chegada de pulso de sinal individuais detectados (t_k), sendo que cada tempo de início de intervalo (s_k ) é posterior pelo menos pela lacuna de detecção confiável mínima em relação a um tempo de chegada de pulso de sinal individual detectada mais recente correspondente ( t_(k-1)). Uma pluralidade correspondente de intervalos de chegada de pulso de sinal individual é calculada entre cada um dos tempos de início de intervalo (s_k ) e um próximo tempo de chegada de pulso de sinal individual detectada correspondente ( t_k).
Description
[0001] A presente invenção refere-se à estimativa de taxa de contagem de entrada em detectores de pulso de radiação. A invenção pode ser aplicada a detectores projetados para detectar pulsos de energia radioativa {“pulsos de radiação”) de qualquer tipo e de quaisquer energias, incluindo detectores de partícula projetados para detectar partículas mecânicas quânticas tais como fótons, partículas subatômicas, íons, átomos, ou detectores projetados para detectar pulsos de radiação clássicos tais como sonares de ondas sísmicas, sodar, ultrassom ou outras vibração de material, ou radares clássicos ou pulsos de luz, incluindo lidar.
[0002] Aplicações nas quais detectores de pulso de radiação se beneficiariam da invenção incluem, porém, sem limitação, varredura de segurança, varredura de bagagem, imageamento médico, análise de materiais, captação meteorológica, processamento de minerais, análise de minerais, sismologia de reflexão e sequenciamento de DNA. Pedidos de patente anteriores da presente Depositante descreveram várias aplicações de detectores de pulso de radiação aplicável à presente invenção conforme descrito em mais detalhes nos pedidos de patente internacionais publicados nº PCT/AU2005/001423, nº PCT/AU2009/000395, nº PCT/AU2009/001648, nº PCT/AU2012/000678, PCT/AU2014/050420, nº PCT/AU2017/050514 e nº PCT/AU2017/050512 sendo que o conteúdo de cada um é incorporado a este documento a título de referência em sua totalidade, como exemplos de aplicações e aparelhos nos quais modalidades do restante da presente invenção podem ser implantados em software apropriado. A presente invenção portanto, se estende a tais aparelhos apropriadamente programados com o método da presente invenção e as aplicações daqueles aparelhos descritos nos pedidos de patente internacionais supracitados.
[0003] Em detectores de pulso de radiação, pulsos individuais de radiação entram nos detectores e geram pulsos de sinal individuais. Tipicamente para detectores de partícula, os pulsos de sinal individuais são um sinal elétrico resultante de uma cascata de fótons que respondem à partícula de radiação de colisão no material detector. Dependendo da intensidade da radiação, o número de pulsos de radiação que entra nos detectores e interagem com o material detector por tempo de unidade varia. Esse parâmetro é chamado de taxa de contagem de entrada, e é importante para medição por razões que dependem da aplicação. Em contraste, a taxa de contagem de saída é o número de pulsos de radiação realmente detectada pelo conjunto de circuito de detecção, que, em geral, é menor do que a taxa de contagem de entrada por várias razões discutidas abaixo. Estimar a taxa de contagem de entrada permite uma representação confiável da intensidade da radiação, o que é importante na detecção de radiação quantitativa precisa. Por exemplo, em imageamento de radiação, cada pixel é representado por uma intensidade que é o fluxo incidente de pulsos individuais de radiação (tais como partículas quânticas). Em um dispositivo de caracterização de materiais, a taxa de contagem de entrada é necessária para normalizar uma concentração de um mineral ou outro componente identificado por características da radiação medida. Em uma aplicação de difração de raio X, uma medição precisa de intensidade dos anéis de difração é importante ao caracterizar a estrutura do material a ser examinado.
[0004] Em detectores de partícula de radiação, os pulsos de sinal individuais podem atravessar pré-processamento eletrônico, por exemplo, para converter um sinal de rampa em um sinal de pulso e, sendo assim, podem envolver estágios ou componentes analógicos ou digitais.
[0005] Devido ao fato de que cada pulso de sinal individual tem uma duração finita, e o tempo de chegada de cada pulso de sinal individual é aleatório e independente, é comum que mais do que um pulso de sinal individual possa chegar no detector dentro dessa duração finita, resultando em “empilhamento de pulso” no qual o sinal é causado por uma superposição de dois ou mais pulsos de sinal individuais de chegada aproximada. Em fluxos de radiação muito alta ou em detectores com longas durações de pulso de sinal individual, pode ser que o sinal de detector agregado é continuamente acima de um nível de linha de base.
[0006] Empilhamento de pulso por si só não evita a discriminação de todos os múltiplos pulsos sobreprojetantes e, portanto, a detecção de muitas múltiplas chegadas de pulso de sinal individual em um sinal empilhado ainda é possível. Muitas técnicas de processamento de sinal existem para contabilizar de modo confiável alguns ou muitos pulsos de sinal individuais dentro de um sinal empilhado. Técnicas simples podem envolver diferenciação temporal para detectar cada chegada de pulso de sinal individual detectando-se um rápido aumento no sinal acima de um limiar para definir o início de cada pulso. Técnicas mais complexas são necessárias se for necessário que a energia de cada pulso seja resolvida. Por exemplo, a presente Depositante inventou várias dessas técnicas, sendo que a maioria delas se baseia em um formato de pulso medido ou pressuposto de cada pulso individual e uma técnica matemática para desenredar os pulsos individuais e designar o tempo de chegada e energia (amplitude) a cada pulso individual.
[0007] Técnicas de identificação de pulso de sinal individual da presente Depositante são descritas em mais detalhes nos pedidos de patente internacionais publicados nº PCT/AU2005/001423, nº PCT/AU2009/000395, nº PCT/AU2009/001648, nº PCT/AU2012/000678, nº PCT/AU2014/050420, incorporados a título de referência acima.
[0008] Apesar do fato de que é possível desenredar muitos pulsos de sinal individuais em um sinal empilhado, mesmo com algoritmos sofisticados, esse é, mesmo assim, inevitavelmente o caso em que pulsos de sinal individuais ocasionalmente chegam de modo eficaz e simultâneo, de modo que o formato de pulso formado pela soma de um pulso de sinal individual proveniente de um pulso de energia de sinal individual 𝑬𝟏 e um pulso de sinal individual de uma partícula de energia 𝑬𝟐 é indistinguível de um pulso de sinal individual de um pulso de sinal individual único de energia aproximada𝑬𝟏 + 𝑬𝟐 .
[0009] Além disso, a física da detecção de partícula em alguns detectores de partícula pode envolver, de modo mais geral, um período sem sensibilidade ou com sensibilidade reduzida após cada evento de detecção reduzida no qual uma chegada de partícula subsequente que chega dentro do período sem sensibilidade ou com sensibilidade reduzida não pode ou tem menos capacidade de produzir o pulso de sinal individual.
[0010] Em altas taxas de contagem, à medida que o intervalo médio entre contagens diminui, o número de chegadas não detectadas de pulso de sinal individual aumenta,
tornando o número de chegadas de pulso de sinal individual detectadas que chegam por segundo uma subestimativa cada vez mais fraca da taxa de contagem de entrada real.
[0011] O inverso da taxa de contagem de entrada é o tempo médio entre chegadas de pulso de sinal individual 𝝁, que é superestimado pelo tempo médio entre chegadas de pulso de sinal individual detectadas.
[0012] Em referência à Figura 1, seis pulsos de sinal individuais 101 a 106 são mostrados chegando em tempos diferentes. Os pulsos 104 e 105 são proximamente espaçados e sobreprojetantes para formar um sinal empilhado 110 e são, nesse exemplo, presumidos como demasiada e proximamente espaçados para serem detectados como chegadas de pulso de sinal individual separadas. Os tempos de chegada detectados são, portanto, 𝒕𝟏 , 𝒕𝟐 , 𝒕𝟑 , 𝒕𝟒 , 𝒕𝟓 .
[0013] Considerando que o número total de chegadas de pulso de sinal individual detectadas em um período de medição 𝑻 é 𝑵, com tempos de chegada 𝒕𝟏 . . 𝒕𝑵 , com 𝑻 = 𝒕𝑵 − 𝒕𝟏 . O tempo médio entre chegadas de pulso de sinal individual detectadas é então 𝒚𝒏 ∑𝒏
𝑵 em que 𝒚𝒏 = 𝒕𝒏 − 𝒕𝒏 𝟏 é o intervalo entre chegadas adjacentes, e avalia para 𝑻/𝑵.
Essa é uma superestimativa de μ e uma subestimativa da taxa de contagem de entrada 𝟏 ⁄ 𝝁, devido ao fato de que o número total de chegadas de pulso de sinal individual detectadas 𝑵 subestima o número real total de chegadas de pulso de sinal individual 𝑵𝒑 , e𝝁=𝑻 𝑵 . 𝒑
[0014] Uma abordagem convencional para esse problema, que é algumas vezes chamada de “problema de correção de tempo ocioso”, é estimar um parâmetro chamado de “tempo ocioso” 𝑻𝒅𝒆𝒂𝒅 que corresponde a um período de tempo fixado após a detecção de cada pulso que o detector é suposto de ser completamente incapaz de detectar ou discriminar outro pulso, e parar de modo eficaz o relógio para a quantidade do tempo ocioso após cada pulso detectado. Isso ajusta o período de tempo 𝑻 para baixo pelo tempo ocioso multiplicado pelo número de pulsos detectados, a um período de tempo corrigido 𝑻𝒄𝒐𝒓𝒓 . Um problema com essa abordagem é que o conceito de um tempo ocioso é simplístico, e tentativas anteriores de aprimorar a abordagem se focaram em sofisticação aumentada do conceito de tempo ocioso em melhor modelagem do tempo
𝑻𝒄𝒐𝒓𝒓 ocioso, aprimorando o ajuste para cima do período de tempo na fórmula 𝝁 = 𝑵.
[0015] É um objetivo da presente invenção fornecer um método aprimorado de taxa de contagem de entrada estimativa por uma abordagem alternativa. Os presentes inventores desenvolveram um método que evita a necessidade de melhor modelagem de “tempo ocioso”, focando-se, em vez disso, em um método que permite que nem todas as contagens 𝑵 detectadas sejam usadas na computação da taxa de contagem de entrada.
[0016] A patente nº U.S. 7.728.307 por Barat- coluna 8, linhas 13 a 29 revela um método de estimativa da taxa de contagem de entrada focando-se somente em um período de tempo durante o qual o sinal de detector está na linha de base, entre agrupamentos de pulsos de sinal individuais, sendo que um cluster é definido como um período contíguo em que o sinal de detector está acima da linha de base. O método de Barat é realizado como uma etapa preliminar antes de tentar utilizar um pulse algoritmo de discriminação de pulso para detectar as potencialmente múltiplas chegadas de pulso de sinal individual dentro de cada cluster. Barat declara que o período de tempo entre o final de um cluster de pulsos de sinal individuais e o começo do próximo, durante o qual o sinal está em ou abaixo da linha de base, é um processo de Poisson que permite a computação de taxa de contagem de entrada como o meio de todos os intervalos entre os clusters. No entanto, esse método não pode ser usado em altas taxas de contagem quando os pulsos são sempre empilhados visto que o sinal nunca se reduz à linha de base. Além disso, em taxas de contagem médias, em que o sinal de detector decai periodicamente à linha de base mas há muitas chegadas de pulso de sinal individual dentro de cada cluster, a maioria das contagens recebidas será desnecessariamente rejeitada, e a sensibilidade do detector à medida que isso mede a taxa de contagem de entrada é severamente comprometida, necessitando de um tempo de contagem estendido, o que não é desejável e pode não estar disponível em um ambiente de fluxo de mudança dinâmica.
[0017] A presente invenção permite a medição imparcial de taxa de contagem sem modelagem detalhada de um tempo ocioso enquanto mantém alta sensibilidade de detector.
[0018] Cada chegada de pulso de radiação é um evento aleatório independente de todas as outras chegadas de pulso de radiação, com um probabilidade constante de chegada por tempo de unidade, independentemente do histórico anterior de chegadas. Isso ocasiona uma distribuição de Poisson de 𝝁 média para o intervalo a partir de qualquer tempo arbitrário à próxima chegada, não somente de uma chegada à próxima chegada como nos métodos atuais de taxa de contagem estimativa conforme descrito acima, ou a partir do final de cada cluster de pulsos de sinal individuais na linha de base ao início do próximo como na referência de Barat acima.
[0019] A invenção funciona explorando-se a arbitrariedade do tempo de início para incluir seletivamente somente intervalos confiáveis a partir de um conjunto de tempos de chegada de pulso individual detectados. Em vez de usar cada chegada de pulsos de sinal individuais detectados 𝒕𝒏 𝟏 como o tempo de início do método naïve ou o final de cada cluster como o tempo de início do método de Barat, é possível escolher qualquer tempo de início, indicado 𝒔𝒌 . Os intervalos computados com uso de tais tempos de início serão não desviados desde que cada tempo de início escolhido 𝒔𝒌 é pelo menos uma lacuna de detecção confiável mínima após a chegada de pulso de sinal individual mais recente. A lacuna de detecção confiável mínima pode ser determinada se for desejado por métodos revelados no presente documento. Com tempos de início 𝒔𝒌 escolhidos desse modo, quando a próxima chegada de pulso de sinal individual depois que 𝒔𝒌 é detectado em 𝒕𝒌 pode-se garantir sempre que essa seja a primeira chegada de pulso de sinal individual desde o tempo de início 𝒔𝒌 , e não há chegadas não detectadas no intervalo. O processo é então repetido e é escolhido um próximo tempo de início 𝒔𝒌 𝟏 depois 𝒕𝒌 que é pelo menos o intervalo de detecção mínimo depois que qualquer chegada de pulso de sinal individual detectada anterior, e é registrado 𝒕𝒌 𝟏 − 𝒔𝒌 𝟏 . A média do conjunto de valores adquiridos 𝒕𝒌 − 𝒔𝒌 é desse modo um estimador imparcial de 𝝁, devido ao fato de que não há chegadas não detectadas dentro desses intervalos, e portanto seu inverso é um estimador imparcial da taxa de contagem de entrada 𝟏 ⁄ 𝝁. Desse modo, tempos de início e chegadas de pulso de sinal individual detectadas são seletivamente escolhidos para inclusão no cálculo do intervalo médio que são intervalos confiáveis que representam um tempo até a próxima chegada de pulso de sinal individual real, e não contêm chegadas de pulso de sinal individual adicionais ocultas.
[0020] De acordo com um primeiro aspecto amplo da invenção é fornecido um método de medição de uma taxa de contagem de entrada de um detector de pulso de radiação, sendo que o método compreende as etapas de: (1) receber pulsos de radiação de uma fonte de radiação em um detector;
[0021] (2) receber um sinal de detector do detector que compreende uma agregação de pulsos de sinal individuais de cada pulso de radiação recebido;
[0022] (3) detectar pulsos de sinal individuais no sinal de detector e determinar tempos de chegada de pulso de sinal individuais detectados correspondentes, sendo que alguns dos quais são separados por menos do que uma lacuna de detecção confiável mínima;
[0023] (4) definir uma pluralidade de tempos de início de intervalo sendo que cada cujo par vizinho é interposto com pelo menos um dos tempos de chegada de pulso de sinal individuais detectados, sendo que cada tempo de início de intervalo ocorre posteriormente pelo menos pela lacuna de detecção confiável mínima do que um tempo de chegada de pulso de sinal individual detectada mais recente correspondente;
[0024] (5) calcular uma pluralidade correspondente de intervalos de chegada de pulso de sinal individual entre cada um dos tempos de início de intervalo e um próximo tempo de chegada de pulso de sinal individual detectada correspondente;
[0025] (6) computar um parâmetro de taxa de contagem de entrada, com base nos intervalos de chegada de pulso de sinal individual;
[0026] em que a lacuna de detecção confiável mínima é um período mínimo que exclui chegadas não detectadas de pulso de sinal individual de ocorrerem dentro de cada intervalo de chegada de pulso de sinal individual.
[0027] De acordo com um segundo aspecto amplo da invenção é fornecido um método de medição de uma taxa de contagem de entrada de um detector de pulso de radiação, sendo que o método compreende as etapas de:
[0028] (1) receber pulsos de radiação de uma fonte de radiação em um detector;
[0029] (2) receber um sinal de detector do detector que compreende uma agregação de pulsos de sinal individuais de cada pulso de radiação recebido;
[0030] (3) detectar pulsos de sinal individuais no sinal de detector e determinar tempos de chegada de pulso de sinal individuais detectados correspondentes, sendo que alguns dos quais são separados por menos do que uma lacuna de detecção confiável mínima; e
[0031] (4) computar um parâmetro de taxa de contagem de entrada, com base em somente intervalos selecionados entre tempos vizinhos de chegada de pulso de sinal individuais detectados que são maiores do que uma lacuna de detecção especificada, e na extensão em que os mesmos são maiores do que a lacuna de detecção especificada, sendo que a lacuna de detecção especificada é maior do que a lacuna de detecção confiável mínima;
[0032] em que a lacuna de detecção confiável mínima é um período mínimo que exclui chegadas não detectadas de pulso de sinal individual de ocorrerem dentro de cada intervalo de chegada de pulso de sinal individual.
[0033] De acordo com um terceiro aspecto amplo da invenção é fornecido um método de estimativa de uma taxa de contagem de entrada de um detector de pulso de radiação, sendo que o método compreende as etapas de:
[0034] (1) receber pulsos de radiação de uma fonte de radiação em um detector por um período de calibração, os pulsos de radiação recebidos por tempo de unidade que definem a taxa de contagem de entrada durante o período de calibração;
[0035] (2) medir um sinal de detector pelo período de calibração a partir do detector que compreende uma agregação de pulsos de sinal individuais de cada pulso de radiação recebido; e
[0036] (A) em um modo de calibração:
[0037] (3) calcular um parâmetro derivado do sinal de detector amostrado pelo período de calibração, sendo que o parâmetro é uma função conhecida da taxa de contagem de entrada;
[0038] (4) estimar uma taxa de contagem de entrada de calibração durante o período de calibração com uso de um método de estimativa de taxa de contagem de entrada escolhido aplicado ao sinal de detector amostrado pelo período de calibração conhecido por ser confiável na taxa de contagem de entrada de calibração estimada; e
[0039] (5) determinar uma função de calibração relacionada a medições do parâmetro à taxa de contagem de entrada com base no parâmetro calculado pelo período de calibração, na taxa de contagem de entrada de calibração durante o período de calibração e na função conhecida; e
[0040] (B) em um modo de operação:
[0041] (6) calcular o parâmetro derivado do sinal de detector através de um período de medição;
[0042] (7) estimar a taxa de contagem de entrada durante o período de medição aplicando-se a função de calibração ao parâmetro derivado do sinal de detector através do período de medição.
[0043] Em uma modalidade, a função conhecida da taxa de contagem de entrada é proporcionalidade e a função de calibração e a etapa de determinar a função de calibração compreende determinar uma constante de proporcionalidade. O parâmetro pode ser baseado em um valor de amostra médio do sinal de detector pelo período de calibração ou medição.
[0044] Em uma modalidade, o método de estimativa de taxa de contagem de entrada escolhido é um dos métodos de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16.
[0045] Características de modalidades adicionais e aspectos da invenção podem ser certificados a partir da descrição e desenhos anexos.
[0046] A Figura 1 é uma forma de onda de sinal de detector exemplificadora, que ilustra a operação da invenção de acordo com uma modalidade.
[0047] A Figura 2 é outra forma de onda de sinal de detector exemplificadora de vários pulsos submetidos a empilhamento de pulso.
[0048] A Figura 3 é uma simulação digital que mostra o desempenho de uma modalidade da invenção.
[0049] Modalidades da presente invenção serão agora descritas.
[0050] As etapas de detecção de pulsos de sinal individuais no sinal de detector e determinação de tempos de chegada de pulso de sinal individuais detectados (e opcionalmente determinar energias de pulso de sinal individual detectadas correspondentes) referidos no primeiro e no segundo aspectos acima podem ser realizadas por qualquer algoritmo de detecção de pulso conhecido na técnica, incluindo aqueles da Depositante referida acima e futuros tais métodos, e não precisam de elucidação adicional aqui. Abaixo a seguir, presume-se que uma sequência de tempos de chegada de pulso de sinal individuais detectados 𝒕𝒌 está disponível a partir de tal algoritmo de detecção de pulso.
[0051] Primeiro em referência à Figura 1, uma modalidade da invenção utiliza uma escolha do tempo de início 𝒔𝒌 que é uma lacuna 𝑮 após a chegada de pulso de sinal individual detectada mais recente em 𝒕𝒌 𝟏 . A lacuna 𝑮 é escolhida como um valor constante próximo à lacuna de detecção confiável mínima, porém maior do que a mesma. Escolher todos os tais tempos de início 𝒔𝒌 disponíveis maximiza os dados de contagem confiáveis disponíveis para determinação da taxa de contagem de entrada, que podem ser expressos em termos do intervalo médio 𝝁 como 𝒚𝒌 − 𝑮 𝝁=
𝑵𝑮 𝒌: 𝒚𝒌 𝑮 (Equação 1)
[0052] em que 𝑵𝑮 é o número de amostras que atendem aos critérios 𝒚𝒌 > 𝑮. Essa quantidade toma de modo eficaz a média de todos os intervalos entre chegadas de pulso de sinal individual detectadas adjacentes 𝒚𝒌 que são maiores do que 𝑮, e na extensão em que as mesmas são maiores do que 𝑮 (isto é, 𝒚𝒌 − 𝑮). Na Figura 1, pode ser visto que todos os cinco tempos de chegada de pulso de sinal individuais detectados são usados na sequência.
[0053] A equação 1 acima é estritamente válida somente para quantidades contínuas para as quais o efeito descontínuo do intervalo de amostragem digital é insignificante, o que ocorre se a lacuna G for um grande múltiplo do intervalo de amostragem de tempo digital ∆ , ou se os tempos de chegada registrados 𝒕𝒌 forem computados com precisão de subamostra, sendo que o primeiro ou o último caso se aplica dependendo do algoritmo de identificação de pulso particular discutido acima e conhecido na técnica anterior. Onde o efeito descontínuo do intervalo de amostragem digital é significativo, uma correção precisa ser aplicada, que é prontamente determinada. Por exemplo, se os tempos de chegada registrados 𝒕𝒌 forem calculados somente ao ponto de amostragem de tempo digital mais próximo, então raciocínio heurístico informa que os critérios 𝒚𝒌 > 𝟏 𝑮 na realidade são 𝒚𝒌 > 𝑮 − 𝟐 ∆ devido a erro de arredondamento, e então a seguinte fórmula corrigida se aplica: 𝟏 𝒚𝒌 − 𝑮 + 𝟐 ∆ 𝝁=
𝑵𝑮 𝒌: 𝒚𝒌 𝑮 (Equação 2)
[0054] O argumento heurístico pode ser verificado por derivação formal.
[0055] A Figura 2 é um exemplo com chegadas de pulso de sinal individual todas empilhadas entre si e nas quais o sinal 200 não retorna à linha de base. Isso é considerado em duas situações nas quais a chegada de pulso de sinal individual em 𝒕𝒅 é ou não é detectada, visto que a mesma é somente evidenciada pelo pico ligeiramente não acentuado em 201 e, dependendo da sofisticação da chegada algoritmo de detecção, pode ou não ser detectada. É também presumido que 𝑮 é somente maior do que 𝒕𝒅 − 𝒕𝒄 . Os primeiros dois termos na soma estarão de acordo com o algoritmo acima 𝒕𝒃 − 𝒕𝒂 − 𝑮 e 𝒕𝒄 − 𝒕𝒃 − 𝑮. Se a chegada de pulso de sinal individual em 𝒕𝒅 for detectada, então o próximo termo na soma será 𝒕𝒆 − 𝒕𝒅 − 𝑮. Esses termos na soma são representados na Figura 2 como seções hachuradas ao longo do eixo geométrico, e os períodos de tempo que são correspondentemente excluídos são ilustrados com seções de bloco de duração 𝑮 após cada chegada de pulso de sinal individual detectada. Se a chegada de pulso de sinal individual em 𝒕𝒅 não for detectada, então o próximo termo na soma será 𝒕𝒆 − 𝒕𝒄 − 𝑮.
[0056] No exemplo acima, há casos nos quais alguns tempos de chegada de pulso de sinal individuais detectados não aparecem na soma devido ao fato de que os mesmos ocorrem dentro de 𝑮 da próxima chegada de pulso de sinal individual detectada. Esse é o princípio de operação da invenção: excluir intervalos não confiáveis que podem ocultar um pulso de sinal individual não detectado. Embora, a princípio, não haja limite superior em 𝑮, quanto maior o valor, mais das chegadas de pulso de sinal individual detectadas são rejeitadas e mais tempo é tomado para acumular amostras suficientes para uma avaliação precisa do intervalo de chegada médio, cujo erro padrão é inversamente proporcional à raiz quadrada do número de amostras. Desse modo, quanto maior do que valores necessários de 𝑮 reduzem de modo eficaz a sensibilidade do detector.
[0057] A rejeição de tempos de chegada de pulso de sinal individuais detectados na computação é uma vantagem importante da invenção que permite desempenho robusto em comparação com métodos de técnica anterior que tentam computar um tempo ocioso preciso e fazer uso de todas as chegadas de pulso de sinal individual detectadas disponíveis.
[0058] Simulações digitais de sinais podem ser usadas para verificar implementações da invenção, e fornecer um mecanismo para determinar um valor ideal de 𝑮. A Figura 3 mostra resultados de uma simulação digital de um sinal de detector formado a partir de pulsos individuais de radiação típicos de um detector de diodo de deriva de silício (SDD) em diferentes taxas de contagem de entrada reais simuladas até 10 milhões de contagem por segundo. Em cada taxas de contagem de entrada reais simulada, o algoritmo de taxa de contagem de entrada estimativa foi realizado com diferentes valores do parâmetro de lacuna 𝑮. O algoritmo de detecção de pulso de sinal individual usado foi o método revelado em PCT/AU2014/050420. Um valor zero de 𝑮 representa a computação naïve, que mostra conforme esperado que a taxa de contagem de entrada estimada se torna cada vez mais uma subestimativa como a taxa de contagem real prossegue e a porcentagem de chegadas não detectadas de pulso de sinal individual aumenta. À medida que o valor de G aumenta, o erro de porcentagem se reduz até que um valor de 120 ns, o erro é essencialmente zero em todas as taxas de contagem reais até 10 milhões de contagens por segundo. A taxa de amostragem de análogo para digital na simulação foi 250 MHz, portanto, um valor de 𝑮 de 120 ns representa 30 amostras. Valores mais altos de G (não mostrados) também mostram essencialmente taxa de erro zero, com e tempo crescente necessário para precisão estatística conforme esperado à medida que mais chegadas detectadas são rejeitadas.
[0059] Simulação pode ser desse modo usada para informar se uma lacuna de detecção especificada particular é suficiente, e variando-se a lacuna de detecção especificada, determinando uma estimativa da lacuna de detecção confiável mínima.
Nesse exemplo, 120 ns é, portanto, uma estimativa da lacuna de detecção confiável mínima.
[0060] A simulação de uma implementação particular dos métodos de acordo com a invenção também pode ser, portanto, usadas para verificar que a implementação produz uma estimativa imparcial da taxa de contagem de entrada, sem determinar necessariamente qual é a lacuna de detecção confiável mínima. Isso é realizado simulando-se simplesmente um método através da faixa desejada de taxas de contagem de entrada e verificando-se que o erro das taxas de contagem estimadas permanece dentro dos limites desejados.
[0061] Dados reais também podem ser usados para fornecer um mecanismo para determinar um valor apropriado de 𝑮. Uma técnica é processar uma coleção de conjuntos de dados, todos com o mesmo espectro, mas diferentes taxas de contagem. Tal coleção de conjuntos de dados pode ser formada com uso da mesma fonte de radiação e medindo-se o sinal de detector com a fonte em diferentes distâncias do detector, variando assim a taxa de contagem real. Se 𝒙(𝒕) for o valor de sinal de detector em cada 𝟏 ponto de amostra de tempo 𝒕, então o valor de amostra médio 𝑻 ∑𝑻𝒕 𝟏 𝒙(𝒕) para 𝑻 amostras tem um valor de expectativa que é escalonado de modo linear com a taxa de contagem de entrada real. Verificando que a taxa de contagem de entrada computada de acordo com o algoritmo da invenção tem uma taxa constante com o valor de amostra médio para cada conjunto de dados fornece uma confirmação que o valor de 𝑮 usado no algoritmo fornece um estimador imparcial de taxa de contagem de entrada através da faixa de taxas de contagem nos conjuntos de dados. Uma taxa não constante sugere que o valor de 𝑮 é baixa demais. De modo similar, os dados reais podem ser usados em qualquer implementação particular dos métodos de acordo com a invenção, seja uma lacuna fixada 𝑮 usada ou não.
[0062] Será verificado que o método permanece imparcial desde que cada tempo de início 𝒔𝒌 seja pelo menos a lacuna de detecção confiável mínima, há liberdade considerável no algoritmo preciso através do qual cada tempo de início 𝒔𝒌 é escolhido. Por exemplo, no exemplo acima de uma lacuna constante 𝑮 é deixada após a chegada de pulso de sinal individual detectada mais recente, mas a lacuna também poderia ser aleatoriamente variada em cada amostra, desde que a mesma permaneça acima da lacuna de detecção confiável mínima, ou também poderia incluir valores adicionais dependentes de outros parâmetros. Por exemplo, com algoritmos de detecção de pulso de sinal individual que identificam tanto o tempo de início do pulso e uma largura do pulso, a largura do pulso mais recente poderia ser adicionada à lacuna. Portanto, o termo “lacuna de detecção especificada” nas reivindicações se destina a ser amplo o suficiente para abranger lacunas de detecção especificadas que não são necessariamente constantes, mas variam aleatoriamente ou de acordo com uma fórmula de outros parâmetros, a menos que a intenção contrária seja evidente.
[0063] Além disso, há liberdade considerável na definição do tempo de chegada de pulso de sinal individual detectada. Visto que que o tempo de chegada de pulso de sinal individual se refere a algum ponto no pulso, não necessariamente o início do tempo de elevação conforme mostrado nos diagramas, o algoritmo pode operar com sucesso, visto que a lacuna de detecção confiável mínima é simplesmente ajustada para cima para compensar qualquer diferença. Pode ser que mesmo posições inconsistentes no pulso de amostra a amostra são robustamente gerenciadas pelo algoritmo, que é prontamente verificado de acordo com as técnicas descritas acima.
[0064] É também verificado que, em algumas implementações da invenção, conhecimento direto da lacuna de detecção confiável mínima não é necessário, visto que é somente necessário que a lacuna de detecção é sempre suficiente para fornecer uma estimativa imparcial da taxa de contagem de entrada de modo a certificar que a lacuna de detecção seja maior do que a lacuna de detecção confiável mínima. Em modalidades da invenção, uma lacuna de detecção especificada particular pode ser escolhida e novamente é suficiente para verificar que a lacuna de detecção especificada forneça uma estimativa imparcial da taxa de contagem de entrada de modo a garantir que a lacuna de detecção especificada seja maior do que a lacuna de detecção confiável mínima. Conhecimento direto da lacuna de detecção confiável mínima é útil para otimizar a sensibilidade do detector e o uso máximo de tempos de chegada de pulso de sinal individuais detectados, nas modalidades da invenção.
[0065] O método de dados reais supracitado de determinação do valor apropriado de
𝑮 também pode ser usado como outro método de estimativa de taxa de contagem de entrada em uma modalidade do terceiro aspecto amplo da invenção. Em uma modalidade simples, em um modo de operação em cada taxa de contagem de entrada 𝟏 𝑻 𝒕𝒆 estimativa tempo 𝒕𝒆 o valor de amostra médio 𝑿𝒆 = 𝑻 ∑𝒕 𝒕𝒆 𝒙(𝒕) pode ser multiplicado por uma constante de calibração 𝑪. A constante de calibração 𝑪 é determinada em um modo de calibração realizando-se um método de determinação de taxa de contagem de entrada escolhido em um sinal de detector através de um período de tempo de calibração 𝒕𝒄 para 𝒕𝒄 + 𝑻 para produzir uma taxa de contagem de calibração 𝑹𝒄 , e através do mesmo 𝒕 𝑻 𝟏 período de tempo de calibração calculando o valor de amostra médio 𝑻 ∑𝒕𝒄 𝒕𝒄 𝒙(𝒕) para produzir um valor de amostra médio de calibração 𝑿𝒄 . A constante de calibração é então 𝑹𝒄 a razão 𝑿𝒄 . Durante o período de tempo de calibração, a fonte de radiação ou posição de detector é ajustada se for necessário de modo que a taxa de contagem medida esteja em uma região confiável (tipicamente uma taxa de contagem medida suficientemente baixa) do método de estimativa de taxa de contagem de entrada escolhido. O método de estimativa de taxa de contagem de entrada escolhido para a calibração pode ser os métodos descritos no presente documento no primeiro e no segundo aspectos amplos, e, cujo caso a região confiável é ampla, ou um método de técnica anterior, em cujo caso a região confiável é menos ampla. Esse método de amostra de valor médio pode ser usado em que a carga computacional inferior é desejada, e o método baseado em lacuna descrito no presente documento pode ser usado somente para calibração ocasional. O método descrito acima pode ser generalizado a qualquer parâmetro derivado do sinal de detector que é uma função conhecida da taxa de contagem de entrada. Novos parâmetros e funções podem ser constatados com o auxílio de métodos de estimador imparcial verificados descritos no presente documento e no primeiro e no segundo aspectos amplos.
[0066] Pelos métodos da invenção, um método de detector e detecção de pulso de radiação mais preciso é fornecido. É também verificado que os métodos da invenção podem ser prontamente aplicados com uso de software que implanta os métodos em um processador de computador padrão ou hardware de processador de sinal digital. Tal hardware já é conhecido e tipicamente presente em sistemas detectores de pulso de radiação.
[0067] As pessoas versadas na técnica também observarão que muitas outras variações podem ser realizadas à invenção sem se afastar do escopo da invenção, o que é determinado a partir do escopo mais amplo e das reivindicações.
[0068] Por exemplo, embora o sinal de detector seja um sinal digital amostrado em uma taxa de amostra constante no exemplo acima, o sinal de detector conforme definido nas reivindicações se estende, em geral, a qualquer sinal de detector de perfil de tempo incluindo um sinal análogo.
[0069] Por exemplo, a invenção se estende à computação de qualquer parâmetro relacionado à taxa de contagem de entrada ou a partir do qual a taxa de contagem de entrada pode ser deduzida, incluindo seu recíproco, o intervalo de chegada de pulso de sinal individual médio 𝝁 ou qualquer função do mesmo. O termo “parâmetro de taxa de contagem de entrada” nas reivindicações se destina a se estender a tais variações.
[0070] Será entendido que o número de intervalos de chegada de pulso 𝑵𝑮 usados na computação da taxa de contagem de entrada estimativa é variável dependendo da precisão necessária, o que pode ser facilmente previsto pelo erro padrão do meio para a distribuição de Poisson do intervalo de chegada de pulso de sinal individual médio 𝝁 dividido por 𝑵𝑮 .
[0071] Além disso, embora todas as ilustrações se refiram a circunstâncias de empilhamento de pulso em que o sinal estava acima da linha de base e o empilhamento de pulso é a causa de alguns tempos de chegada de sinal individual detectados que são separados por menos do que a lacuna de detecção confiável mínima, a invenção se estende a circunstâncias previsíveis nas quais tais intervalos não confiáveis existem por razões independentes de se o empilhamento de pulso ocorre ou é a causa ou não.
[0072] Também além disso, embora as equações fornecidas no presente documento computem a média aritmética de um conjunto de números a derivar 𝝁, a computação de outros parâmetros estatísticos está dentro do escopo mais amplo que são iguais à média aritmética ou funções fixas da mesma da distribuição de Poisson e, portanto, permitem sua dedução, tais como o mediano, modo, variância, obliquidade, curtose ou entropia.
[0073] Nas reivindicações a seguir e na descrição anterior da invenção, exceto quando o contexto necessita de outro modo devido à linguagem expressa ou implicação necessária, a palavra “compreender” ou variações, como “compreende” ou “que compreende”, é usada em um sentido inclusivo, isto é, para especificar a presença dos recursos declarados, mas não exclui a presença ou adição de recursos adicionais em várias modalidades da invenção. Além disso, quaisquer etapas de método declaradas nas reivindicações não são necessariamente destinadas a serem realizadas temporalmente na sequência escrita, ou a serem realizadas sem pausa uma vez iniciadas, a menos que o contexto exija isso.
[0074] Correções do tipo fornecido pela equação 2 no caso de amostragem digital, os efeitos se destinam a estarem dentro do escopo das reivindicações a seguir.
[0075] Deve ser entendido que, se qualquer publicação de técnica anterior é referida no presente documento, tal referência não constitui uma admissão de que a publicação forma uma parte do conhecimento geral comum na técnica, na Austrália ou em qualquer outro país
Claims (13)
1. Método de medição de uma taxa de contagem de entrada de um detector de pulso de radiação, sendo que o método é caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (1) receber pulsos de radiação de uma fonte de radiação em um detector, sendo que os pulsos de radiação recebidos por tempo de unidade definem a taxa de contagem de entrada; (2) receber um sinal de detector do detector que compreende uma agregação de pulsos de sinal individuais de cada pulso de radiação recebido; (3) usar um método de detecção, detectar pulsos de sinal individuais no sinal de detector e determinar tempos de chegada de pulso de sinal individuais detectados correspondentes; (4) definir uma pluralidade de tempos de início de intervalo, sendo que cada par vizinho é interposto com pelo menos um dos tempos de chegada de pulso de sinal individuais detectados, sendo que cada tempo de início de intervalo ocorre depois de um tempo de chegada de pulso de sinal individual detectada mais recente correspondente por uma lacuna de detecção especificada que é pelo menos tão grande quanto uma lacuna de detecção confiável mínima do método de detecção, garantindo assim que não haja pulsos de sinal individuais não detectados dentro de cada intervalo de chegada de pulso de sinal individual; (5) calcular uma pluralidade correspondente de intervalos de chegada de pulso de sinal individual entre cada um dos tempos de início de intervalo e um próximo tempo de chegada de pulso de sinal individual detectada correspondente; (6) computar um parâmetro de taxa de contagem de entrada, com base nos intervalos de chegada de pulso de sinal individual.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente, em uma fase de verificação, as etapas de: simular sinais de detector de diferentes taxas de contagem de entrada conhecidas com base em um formato de pulso individual conhecido para o detector; realizar as etapas de detecção até a de computação nos sinais de detector simulados; e confirmar que o parâmetro de taxa de contagem de entrada produz uma estimativa imparcial de cada uma das diferentes taxas de contagem de entrada conhecidas.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente, em uma fase de verificação, as etapas de: processar uma coleção de conjuntos de dados de sinais de detecção reais, todos com o mesmo espectro, mas diferentes taxas de contagem, sendo que cada uma tem um parâmetro derivado computado do mesmo que é conhecido por escalonagem com taxa de contagem de entrada; e realizar as etapas de detecção até a de computação em cada conjunto de dados; e confirmar que as escalas de parâmetro de taxa de contagem de entrada computadas são correspondentes ao parâmetro derivado.
4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o parâmetro derivado computado de cada conjunto de dados é um valor de sinal de detector médio de cada conjunto de dados.
5. Método, de acordo com cada uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a lacuna de detecção especificada é a lacuna de detecção confiável mínima.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a lacuna de detecção especificada é um valor constante.𝑮.
7. Método de estimativa de uma taxa de contagem de entrada de um detector de pulso de radiação, sendo que o método é caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (1) receber pulsos de radiação de uma fonte de radiação em um detector por um período de calibração, os pulsos de radiação recebidos por tempo de unidade que definem a taxa de contagem de entrada durante o período de calibração; (2) medir um sinal de detector pelo período de calibração a partir do detector que compreende uma agregação de pulsos de sinal individuais de cada pulso de radiação recebido; E (A) em um modo de calibração: (3) calcular um parâmetro derivado do sinal de detector amostrado pelo período de calibração, sendo que o parâmetro é uma função conhecida da taxa de contagem de entrada; (4) estimar uma taxa de contagem de entrada de calibração durante o período de calibração com uso de um método de estimativa de taxa de contagem de entrada escolhido aplicado ao sinal de detector amostrado pelo período de calibração conhecido por ser confiável na taxa de contagem de entrada de calibração estimada; e (5) determinar uma função de calibração relacionada a medições do parâmetro à taxa de contagem de entrada com base no parâmetro calculado pelo período de calibração, na taxa de contagem de entrada de calibração durante o período de calibração e na função conhecida; E (B) em um modo de operação: (6) calcular o parâmetro derivado do sinal de detector através de um período de medição; (7) estimar a taxa de contagem de entrada durante o período de medição aplicando-se a função de calibração ao parâmetro derivado do sinal de detector através do período de medição.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a função conhecida da taxa de contagem de entrada é proporcionalidade e a função de calibração e a etapa de determinar a função de calibração compreende determinar uma constante de proporcionalidade.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o parâmetro é baseado em um valor de amostra médio do sinal de detector pelo período de calibração ou medição.
10. Método, de acordo com cada uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que o método de estimativa de taxa de contagem de entrada escolhido é um dos métodos de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6.
11. Método de estimativa de taxa de contagem de entrada em um detector de pulso de radiação, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o detector de pulso de radiação detecta um ou mais dentre: partículas mecânicas quânticas incluindo fótons, partículas subatômicas, íons, ou átomos; pulsos clássicos em ondas sísmicas, SONAR, SODAR, radar ou LiDAR.
12. Método de qualquer um ou mais dentre varredura de segurança, varredura de bagagem, imageamento médico, análise de materiais, captação meteorológica, processamento de minerais, varredura de segurança, processamento de mineral, análise de minerais, sismologia de reflexão, ou sequenciamento de DNA, caracterizado pelo fato de que inclui a etapa de estimar taxa de contagem de entrada em um detector de pulso de radiação de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes.
13. Aparelho caracterizado pelo fato de que inclui um detector de pulso de radiação que implanta o método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes.
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