CN105784734A

CN105784734A - 一种闪烁体探测系统

Info

Publication number: CN105784734A
Application number: CN201610118507.6A
Authority: CN
Inventors: 吴衍青; 于怀娜; 陈媚; 邰仁忠; 赵俊; 荣丽媛
Original assignee: Shanghai Institute of Applied Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Applied Physics of CAS
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: CN105784734B

Abstract

本发明涉及一种闪烁体探测系统，其包括：闪烁体，其入射面接受X射线的照射，其出射面上设置有光子晶体；光学成像装置，其接收从所述闪烁体转化输出的可见光信号，并输出样品透射成像图；以及与所述光学成像装置连接的GPU工作站，其接收所述样品透射成像图，并利用图像恢复算法对该样品透射成像图并行化进行图像反卷积运算，以实时恢复所述样品透射成像图的成像分辨率。本发明提高了能量分辨率、时间分辨率、探测灵敏度，大大缩短测量时间，降低辐射剂量，进一步提升同步辐射在检测限度、探测深度等方面的优势，对生物学，医学等学科的研究具有非常重要的意义。

Description

一种闪烁体探测系统

技术领域

本发明涉及一种基于闪烁体的X射线成像装置，尤其涉及一种高检测效率、高成像质量的闪烁体探测系统。

背景技术

众所周知，目前闪烁体探测器被广泛应用于X射线成像。如图1所示，传统的闪烁体探测器主要由闪烁体1’和光学成像系统2’组成，其中，光学成像系统2’包括光收集部件21’(如透镜组)、光电转换器件22’(如PMT、CCD、CMOS)以及电子学仪器23’组成，其中，闪烁体1’是其重要的组成部分，闪烁体1’将X射线转化成可见光，被光收集部件21’收集，进而被光电转化器件22’接收，转化成电信号，最后经过电子学仪器23’的分析处理得到样品透射成像图。

在X射线成像中，主要采用的是重无机闪烁体，重无机闪烁体折射率比较高，与光学耦合剂折射率差距较大，全内反射对光输出影响较大。理论与实验结果表明光子从产生之初至抵达光电探测器处，光子数损失50％以上。因此减少光在界面处的全反射，可较大程度提高闪烁体的光提取效率。根据现有技术表明，利用微纳加工技术，在闪烁体表面添加光子晶体，可显著提高闪烁体探测器的光输出强度，而通过增强闪烁体的光输出，可提高闪烁体探测器的探测灵敏度、能量分辨率、时间分辨率和信噪比等方面的性能。

因此，现有技术中已提出：通过在闪烁体的入射面添加光子晶体，同时增加了一些超材料、金属层等，以提高闪烁体的光输出强度和空间分辨率。然而，这种制备工艺相对较为复杂，而且经过实验结果表明，在闪烁体的出射面或入射面添加光子晶体虽然可提高闪烁体的光输出强度，但均会降低闪烁体的成像分辨率，尤其是，在光子晶体结构相同的情况下，光子晶体在闪烁体出射面比在闪烁体入射面增加的光子数多，对分辨率的影响也较大。

鉴于上述原因，目前需要对这种闪烁体探测器进行改进，以满足使用需要。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种闪烁体探测系统，以在增加图像亮度、提高X射线检测效率的情况下保持原有甚至提高图像空间分辨率。

本发明所述的一种闪烁体探测系统，其系统包括：

闪烁体，其入射面接受X射线的照射，其出射面上设置有光子晶体；

光学成像装置，其接收从所述闪烁体转化输出的可见光信号，并输出样品透射成像图；以及

与所述光学成像装置连接的GPU工作站，其接收所述样品透射成像图，并利用图像恢复算法对该样品透射成像图并行化进行图像反卷积运算，以实时恢复所述样品透射成像图的成像分辨率。

在上述的闪烁体探测系统中，所述X射线由X射线管或同步辐射光源提供。

在上述的闪烁体探测系统中，所述光学成像装置包括光收集部件、光电转换器件以及电子学仪器，其中，所述光收集部件邻近所述闪烁体的出射面设置，所述电子学仪器连接在所述光电转换器件与所述GPU工作站之间。

在上述的闪烁体探测系统中，所述光收集部件包括多个具有不同放大倍数的透镜。

在上述的闪烁体探测系统中，所述光电转换器件为CCD相机或CMOS相机。

在上述的闪烁体探测系统中，所述GPU工作站被配置为先确定点扩散函数，再结合该点扩散函数对所述样品透射成像图进行图像反卷积运算。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过在闪烁体的出射面添加光子晶体，实现闪烁体探测器光输出强度的提高，进而实现X射线检测效率的提高；同时利用GPU工作站对因光学成像装置所成的样品透射成像图进行图像反卷积运算，以消除因为添加光子晶体引起的衬度和分辨率的下降，获得高衬度、高信噪比、高检出率和未受光子晶体影响的原图分辨率；另外，利用高性能的GPU工作站还能将使上述处理过程达到在线和实时的水平。本发明提高了能量分辨率、时间分辨率、探测灵敏度，大大缩短测量时间，降低辐射剂量，进一步提升同步辐射在检测限度、探测深度等方面的优势，对生物学，医学等学科的研究具有非常重要的意义。

附图说明

图1是传统的闪烁体探测器的结构示意图；

图2是本发明一种闪烁体探测器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图2所示，本发明，即一种闪烁体探测器，包括：

闪烁体1，其入射面接受X射线的照射，其出射面上设置有光子晶体2；

光学成像装置3，其接收从闪烁体1转化输出的可见光信号，并输出样品透射成像图；以及

与光学成像装置3连接的GPU工作站4，其接收样品透射成像图，并利用图像恢复算法对该样品透射成像图并行化进行图像反卷积运算，以实时恢复该样品透射成像图的成像分辨率。

在本实施例中，X射线由X射线管或同步辐射光源提供。

在本实施例中，可利用微纳加工技术(如自组装、电化学方法、纳米压印、电子束光刻、X射线干涉光刻等)实现在闪烁体1出射面制备纳米周期性的光子晶体2，从而实现闪烁体探测器光输出强度的提高，进而实现探测效率的提高。具体来说，在闪烁体1表面添加大面积光子晶体的步骤可通过两种方式实现，包括：

1、利用X射线干涉光刻大面积拼接技术在闪烁体表面获得大面积纳米周期性结构。下面以YAG:Ce闪烁体为例来说明：

1)在YAG:Ce闪烁体表面利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在YAG:Ce镀一层100nm厚的氮化硅薄膜。在氮化硅表面甩PMMAA4(950k，MicroChem)光刻胶，厚度约为180nm。

2)利用X射线干涉光刻大面积拼接技术在YAG:Ce闪烁体表面获得周期性十分均匀的纳米结构图形。利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀机实现氮化硅的刻蚀，刻蚀深度约100nm，最终获得的纳米周期性的氮化硅阵列。

2、利用快速电子束光刻技术实现。

在本实施例中，光学成像装置3包括光收集部件31、光电转换器件32以及电子学仪器33，其中，光收集部件31邻近闪烁体1的出射面设置，并包括由多个具有不同放大倍数的透镜组成的透镜组，以兼顾视场和分辨率，接收来自闪烁体1的光信号，且该透镜组采用大接收角消像差设计，从而实现闪烁体在X射线激发下产生的光信号的提取；另外，光收集部件31还可以包括反射镜，以对光进行反射，从而实现对光电转换器件32的辐射保护；光电转换器件32例如为CCD相机或CMOS相机，其接收反射信号并转换为相应的电信号；电子学仪器33与光电转换器件32连接，以接收其输出的电信号，并实现样品成像，最终将图像输出至GPU工作站4。

在本实施例中，GPU工作站4被配置为先确定点扩散函数，再结合该点扩散函数对样品透射成像图进行图像反卷积运算。利用高性能GPU工作站4的并行化计算可实现图像快速恢复，从而达到在线和实时的水平。利用GPU工作站4实现图像分辨率恢复的具体步骤如下：

首先，预先确定点扩散函数(PSF)，具体包括：1)选用适当大小的圆孔作为待成像物体，在同步辐射成像线站进行在线测量，获得圆孔的图像；2)已知圆孔原有图像及透射成像图分布后，基于GPU工作站利用快速傅里叶变换(FFT)在频域得到调制解调函数(MTF)或退卷积在时域得到PSF。(在系统参数不变的情况下，该PSF可重复利用，不需要每次实验前进行测定。)

然后，基于GPU工作站并行化算法利用现有的图像恢复算法并结合祎获得的PSF实现快速图像反卷积恢复，图像恢复算法包括逆滤波器算法、各种带约束的迭代算法、盲解卷积算法中的一种。

这里需要说明的是，图像反卷积运算广泛应用在信号处理的各个领域，研究非常深入成熟。常用于图像恢复的几类算法有逆滤波器算法、带约束的迭代算法以及盲解卷积算法。逆滤波器算法是第一个图像反卷积算法。在20世纪70年代晚期被用于图像分析。该算法简单，计算迅速。但受限于噪音放大。带约束的迭代算法为了改进逆滤波器算法，添加了许多其它的三维算法到图像处理过程中。这些算法不仅消除了噪音及其他问题，同时，还改进了去除信号模糊的能力。确定PSF将大大加快该类算法的速度。盲解卷积算法不仅适用于高质量图片，同时也可以处理噪音较大以及引入了球差的图片。这一算法将理论上的PSF应用到需要进行反卷积计算的图片中。因此，采用确定的PSF将获得更高衬度、更高信噪比、更高检出率的图像。

本发明的工作原理如下：首先，通过X射线入射到表面添加光子晶体2的闪烁体1上，从而使闪烁体1发出紫外到近红外波段的光子，经过光收集部件31，可见光子被光电转换器件32接收，最后利用电子学仪器33自带的图像采集软件获得样品透射成像图；然后，利用GPU工作站并行化计算并利用图像恢复算法快速实时实现样品透射成像图的成像分辨率的恢复，获得高质量的样品透射图。

综上所述，与现有的闪烁体探测器相比，本发明对闪烁体出射面基于微纳加工技术进行了表面修饰，添加了光子晶体，并利用GPU工作站并行化算法以及现有的图像恢复算法对因添加光子晶体使得图像亮度提高而使图像分辨率下降的图像实现图像分辨率实时恢复，在提高了X射线检测效率的情况下，保证了图像分辨率，甚至可能会提高分辨率。同时，利用GPU并行化计算实现实时快速数据处理，非常适用于在线测量实验。由此，本发明可大大降低样品辐照时间和辐照剂量，提高信号采集效率，对易受辐射损伤的样品如生物学、医学领域具有非常重要的意义。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims

1.一种闪烁体探测系统，其特征在于，所述系统包括：

2.根据权利要求1所述的闪烁体探测系统，其特征在于，所述X射线由X射线管或同步辐射光源提供。

3.根据权利要求1所述的闪烁体探测系统，其特征在于，所述光学成像装置包括光收集部件、光电转换器件以及电子学仪器，其中，所述光收集部件邻近所述闪烁体的出射面设置，所述电子学仪器连接在所述光电转换器件与所述GPU工作站之间。

4.根据权利要求3所述的闪烁体探测系统，其特征在于，所述光收集部件包括多个具有不同放大倍数的透镜。

5.根据权利要求3所述的闪烁体探测系统，其特征在于，所述光电转换器件为CCD相机或CMOS相机。

6.根据权利要求1所述的闪烁体探测系统，其特征在于，所述GPU工作站被配置为先确定点扩散函数，再结合该点扩散函数对所述样品透射成像图进行图像反卷积运算。