CN116359256A - 一种积分探测x射线彩色成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种积分探测X射线彩色成像方法，该方法采用X射线管发射出宽谱X射线束，穿透过被探测物体后照射到能量分辨积分型X射线探测器。该探测器首先选用厚度很高的光子吸收体将不同波长的X射线能量完全沉积；然后利用高能X射线光子沉积深度较深，低能X射线光子沉积深度较浅，以及通过改变探测器偏置电压调控不同X射线沉积位置的光生载流子复合速率，将不同能量X射线光子入射所产生的探测信号转换为一个非线性规划问题；通过对该非线性规划的最优化求解，识别出入射X射线的能量和强度信息。在探测速度和价格方面有明显优势。

Description

一种积分探测X射线彩色成像方法
技术领域
本发明涉及光电探测领域，尤其是一种积分探测X射线彩色成像方法。
背景技术
自1895年伦琴发现X射线以来，X射线探测和成像已经成为人们无损获取物体内部结构信息的最重要手段，它在医学诊断和治疗、工业探伤、安全检测、航天探测，以及材料科学等具有重要的应用。通常人们采用积分探测器获取高能X射线的信息，即光电流与一定时间内X射线在探测器中沉积的总能量成正比。人们通过测量光电流的大小获得X射线的强度。一般可以用Lambert-Beer定律来描述X射线在被探测物体中能量衰减
I＝I0e-μd (1)
式中I0和I分别是X射线入射到被探测物体前后的强度，d是被探测物体的厚度，μ则是被探测物体的线性衰减系数。μ主要决定于X射线与物体互作用截面、物体密度和有效原子序数，它与被探测物体的物质组分直接相关联。d只决定于被探测物体的几何尺寸，与物质的组分无关。利用X射线积分探测器可以获得X射线灰度影像，其灰度值正比于I/I0的比值。但是从公式(1)可以看出，参数μ和d同时影响I/I0的比值。因此，我们从常规的X射线灰度影像(I/I0)并不能直接得到被探测物体的成分(即求解出μ)，所以常规的X射线影像只能给出被探测物体的形态学信息，而不能提供组织学信息。
由于常规的X射线影像不能提供组织学信息，所以需要医生或者安检人员根据X射线影像所提供的被探测物体形貌以及灰度分布判断该物体可能是什么。这种判别方式需要耗费大量的人工，而且非常依赖于判别人员的经验，出现判别误差的概率较大。因此，在影像学中迫切需要能够同时提供被探测物体的形态学信息和组织学信息。针对这一需求，人们提出了PET-CT，它可以在形态学信息的基础上附加代谢信息。
人们一直把直接从X射线影像获得物质组分信息作为追求的目标，并提出了若干的解决方案。根据X射线成像的基本规则，如果我们同时知道几种不同能量(或者波长)的X射线束照射被探测物体的影像，则可能推断出被探测物体的物质组分。因此如何获取X射线的能量信息和强度信息是需要解决的一个关键问题。
在光子计数探测中，通过设置不同的阈值，可以识别不同的X射线光子能量。但是因为每一个探测脉冲对应一个入射光子，为了获得高质量的探测和成像，需要记录大量的光子数。受到传感器载流子渡越时间的限制，光子计数探测的计数率不可能很高，所以光子计数探测成像的时间远高于积分型X射线探测成像，这对动态物体的探测形成很大的制约。另外，光子计数探测进行光子能量分辨的一个基本要求是每一个触发计数时只捕捉一个入射光子产生的信号。如果入射的X射线通量很大，单位时间入射的X射线光子数很多，很难保证在触发沿只捕捉到一个X射线光子的探测信号。因此，当入射X射线通量较大时，光子计数探测获得的能谱分布误差较大。由于单个入射光子所产生的探测信号非常弱，所以需要采用增益很高的灵敏电荷放大器。另外光子计数探测器还需要整形、比较和读数等电路，这些电子电路的成本都很昂贵，所以光子计数探测器的成本远高于积分型X射线探测器。
发明内容
本发明的目的是针对现有的双能探测和光子计数探测分辨X射线能量所存在的一些问题，提供一种积分探测获取X射线彩色图像方法，同时提供被探测物体形貌特征和物质特性的方法。
一种积分探测X射线彩色成像方法，包括以下步骤：
步骤1)：X射线源利用韧致辐射现象发射X射线束；
步骤2)：所述X射线束经过被探测物体后照射到能量分辨积分型X射线探测器；
步骤3)：所述能量分辨积分型X射线探测器获取所述X射线束在不同探测器偏置电压下的光电流(或者光电压)信号，再根据这些光电流(或者光电压)信号计算出X射线的强度和能量信息；
步骤4)：信号处理和图像处理模块根据所述X射线束的强度和能量信息计算出被探测物体的物质参数，再利用物质参数对X射线影像的颜色赋值，重构X射线彩色影像。
优选的，步骤2)中，所述能量分辨积分型X射线探测器的本征层为厚度超过1cm的MAPbBr2.5Cl0.5本征钙钛矿单晶，利用所述本征钙钛矿单晶完全吸收入射的X射线束；所述能量分辨积分型X射线探测器具有单极性载流子传输特征。
优选的，使得所述能量分辨积分型X射线探测器具有单极性载流子传输特征的方法包括：
所述能量分辨积分型X射线探测器采用p-i-n光电二极管结构，利用p-i-n光电二极管的能带和势垒结构形成单极性载流子传输；
所述能量分辨积分型X射线探测器收集电极功函数，通过肖特基势垒形成单极性载流子传输；
所述能量分辨积分型X射线探测器通过调控掺杂区半导体材料的载流子迁移率，使得某一种光生载流子的漂移长度小于该种光生载流子到收集电极的传输长度，形成单极性载流子传输；
所述能量分辨积分型X射线探测器采用溶液外延的方法在所述本征钙钛矿单晶的上端面外延掺杂生长n型层，同时掺入Cl元素；在所述本征钙钛矿单晶的下端面外延掺杂生长p型层，同时掺入Br元素，形成单极性载流子传输。
优选的，步骤3)中，假设单极性载流子是电子，则有不同偏置电压下电子的漂移长度LVn为：
LVn＝μeτ·Vn/d
其中，Vn是偏置电压，n是偏置电压的数量，μe是电子的迁移率，τ是电子的寿命，d是能量分辨积分型X射线探测器的厚度；
假设穿过被探测物体的X射线束具有4个光子能量，分别为E1，E2，E3和E4，得到在不同偏置电压下光电流Iphoto-current-Vn为：
Figure BDA0004158337080000031
其中，IE1,IE2,IE3和IE4即光子能量E1、E2、E3和E4的X射线强度；
当偏置电压的数量n≥4时，利用最小二乘法将Iphoto-current-Vn的表达式转换为一个非线性规划问题，对该非线性规划问题进行求解，最后分别得到IE1,IE2,IE3和IE4的最优解，即得到X射线的强度。
优选的，步骤4)中，再利用物质参数对X射线影像的颜色赋值，对于光子能量分别为E1和E2的X射线影像，物质参数定义为：
Figure BDA0004158337080000032
I0是X射线束入射到被探测物体前的强度，μ是被探测物体的成分；
利用色调-色饱和-强度HIS模型对X射线影像进行彩色赋值得到X射线彩色影像，其中X射线彩色影像的色调由被探测物体的物质参数R决定，色饱和度S定义为：
S＝0.9,I<0.2
S＝0.8,0.2≤I<0.4
S＝0.7,0.4≤I<0.6
S＝0.6,0.6≤I<0.8
S＝0.5,I≥0.8
其中，I为X射线彩色影像的强度，将4种光子能量E1、E2、E3和E4的X射线的强度平均值作为图像强度，即I＝[IE1+IE2+IE3+IE4]/4。
优选的，X射线彩色影像中，灰度代表被探测物体的厚度，颜色代表被探测物体的密度。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出一种积分探测X射线彩色成像方法，与常用的双能探测方法相比较，它可以分辨更多的能量通道(≥2)，而且探测成像系统的结构更加简单，不需要空间对准。
(2)本发明提出一种积分探测X射线彩色成像方法，与常用的光子计数探测方法相比较，它采用信号积分工作模式，不需要记录单个光子的探测脉冲，所以探测速度更快。它不需要昂贵的灵敏电荷放大电路和整形电路等，降低了探测器成本。
(3)本发明提出的一种积分探测X射线彩色成像方法。在该彩色图像中，颜色代表被探测物体不同的物质属性，灰度代表该类物质的厚度。这种彩色图像提高了X射线影像识别和理解程度，为进一步的人工智能机器读片提供了新的计数途径。
附图说明
图1(a)为常规X射线双能探测器双球管平行排列工作示意图；
图1(b)为常规X射线双能探测器双球管倾斜排列工作示意图；
图1(c)为常规X射线双能探测器双层探测器工作示意图；
图2(a)为为常规光子计数探测结构示意图；
图2(b)常规光子计数探测电荷放大和信号整形后探测脉冲波形；
图2(c)为典型的伽马射线能谱；
图3为本发明提出的一种积分探测X射线彩色成像系统示意图；
图4为本发明提出的能量分辨的X射线积分探测器工作机制；
图5为本发明提出由钙钛矿p-i-n光电二极管构成的能量分辨X射线积分型探测器；
图6为本发明提出的一种积分探测X射线彩色成像工作框图。
图中：1.高阳极电压X射线球管；2.低阳极电压X射线球管；3.高能X射线束；4.低能X射线束；5.被探测物体；6.X射线探测器；7.低能X射线探测器；8.低能X射线滤板；9.高能X射线探测器；10.入射X射线；11.X射线传感器；13.产生光生电子/空穴对；14.偏置高压电源；15.电荷放大器；16.整形电路；17.比较电路；18.反重合电路；19.计数电路；20,21,22.经过电荷放大后的探测信号脉冲；23.背底信号阈值；24,25,26.整形后计数脉冲；27,28,29.能量通道阈值；30.X射线源；31.出射X射线束；32.被探测物体；33.密度最小的物质；34.小密度物质；35.中密度物质；36.大密度物质；37，38，39.X射线；40.能量分辨的X射线积分探测器；41.放大电路；42.X射线彩色影像；43.颜色1；44.颜色2；45.颜色3；46.颜色4；47.X射线束；48,49,50,51.能量通道E1,E2,E3和E4；52.探测器的公共电极；53.P型层；54.本征层；55.N型层；56.像素电极；57.光生电子/空穴对；58.单极性载流子电子输运；59.低能X射线光子(E1和E2)透射曲线；60.高能X射线光子(E3和E4)透射曲线；61.公共电极接地；62.像素电极接正向偏置电压；63.偏置电压所形成的电场；64.钙钛矿晶体p-i-n光电二极管；65.钙钛矿晶体p-i-n光电二极管能带图；66.n型层；67.X射线光子吸收层；68.p型层；69.钙钛矿晶体的导带底能级(CBM)；70.钙钛矿晶体的价带顶能级(VBM)；71.空穴准费米能级(EFp)；72.电子准费米能级(EFn)；
具体实施方式
下面对本发明作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
人们提出的第一种方案是双能X射线成像系统，它的基本工作原理如图1所示。图1a的双能X成像系统包括两个X射线球管，其中高阳极电压X射线球管1的阳极电压较高，它所产生的X射线能量比较高。低阳极电压X射线球管2的阳极电压较低，它所产生的X射线能量比较低。两个球管在空间上平行排列，被探测物体首先被高阳极电压X射线球管1所产生的X射线照射，获得高能X射线影像。然后，被探测物体再被低阳极电压X射线球管2所产生的X射线照射，获得低能X射线影像。但是在这种解决方案中，被探测物体需要在空间上移动，增加了成像系统的复杂性。另外，高能X射线成像和低能X射线成像不能同时进行，所以需要对图像进行时间对准，它对动态物体的成像会产生较大的误差。图1b是a方案的一种变化，两个X射线球管倾斜放置，这样高能X射线和低能X射线可以同时对被探测物体成像，而且避免了被探测物体的空间位移。但是在图1b所示的方案中，高能X射线的成像投影角度和低能X射线的投影角度不相同，X射线影像需要进行空间上对准。由于高能X射线和低能X射线投影角度的不同，对重构图像引入一定的误差。图1c是双能X射线成像的另外一种技术方案，它只采用一个X射线球管，但是该系统设置了两个探测器，其中探测器7探测低能X射线信号，探测器8探测高能X射线信号。当球管1所产生的X射线照射被探测物体以后，X射线首先投射到探测器7上。该探测器采用比较薄的光子吸收层，所以只能吸收能量比较低的X射线光子，并产生相应的探测信号。而能量比较高的X射线光子则穿过探测器7进入滤板层8。滤板层8的主要作用是进一步过滤低能X射线，一般根据所需要过滤的X射线能量，选择滤板的原子序数和厚度，一般采用铝板或者铜板等作为过滤层材料。通过滤板8以后，X射线只剩下高能光子，所以使用探测器9获得高能X射线的信号。在图1c的技术方案中，只需要一个X射线球管，而且避免了被探测物体的空间和时间对准问题。但是该方案需要两个X射线平板探测器，增大了双能X射线成像系统的复杂程度和成本。另外，上层X射线探测器8的金属框架和读出电路等也会吸收X射线，形成一些伪影，对探测器9所形成的图像产生串扰。
在图1所示的双能X射线成像系统中，虽然设置更多的X射线球管或者探测器理论上可以识别更多能量X射线的信息，但是多球管和多探测器带来的结构问题和图像处理问题制约了其实际应用。在实际的X射线成像系统中，绝大多数应用还是采用双能成像。由于两种能量X射线影像不足以构筑高品质的X射线彩色图像，所以人们还致力于探索其它的X射线光谱探测方法，如光子计数探测。图2是一种典型的光子计数探测器结构。
图2a是一种典型的光子计数探测结构。当入射的高能光子10照射到传感器11，通过一些物理效应，如光电效应，产生光生载流子对13。在高压电源的偏置电压13作用下，传感器中形成偏置电场，并使得光生电子/空穴对产生分离，形成探测电流。这一部分的物理过程和积分型探测器物理过程几乎一致，但是传感器的暗电流和噪声要求更加严苛。与积分型探测器不一样，读出电路不是通过一个积分电容将光生载流子在一定时间内累加，而是设定一系列的读数触发脉冲，读出电路在触发脉冲的边沿(一般是上升沿)读取电流或者电压信号，再通过灵敏电荷放大器对该读取信号进行放大。图2b左图是经过灵敏电荷放大电路放大后获得的时间序列探测脉冲信号。从图中可以看出在图示的时间间隔内有三个探测脉冲20，21和22，它们的脉冲幅值不一样。由于读数触发时间非常短，可以近似地认为在一个读数脉冲中只接受一个入射光子，因此探测脉冲20，21和22的信号幅值正比于入射光子的能量。我们还可以设定一个阈值23，将信号幅值小于阈值23的部分都认为是背底信号，经过对探测脉冲进行整形后得到图2b右图所示的整形脉冲波形。探测脉冲20，21和22经过整形后对应为脉冲24，25和26。我们可以设定三个阈值27，28和29分别对应入射X射线的三个能量通道(或者波长通道)，根据探测脉冲的幅值高度，就可以判定该脉冲对应的X射线光子归属于哪一个能量通道，最终获得如图2c所示的X射线(或者γ射线)能谱。
本发明采用的技术方案：一种积分模式下识别X射线能量，并利用不同能量X射线影像重构彩色X射线图像，分辨被探测物体物质特性的方法。本发明所使用的X射线成像系统如图3所示。
在图3所示的成像系统中，X射线源30所发出的X射线31强度为I0。由于常规的X射线管是利用韧致辐射现象发射X射线，所以X射线束31具有非常宽的能谱。假设该X射线束具有n个能量通道，光子能量分别为E1,E2,…,En。假设被探测物体32包含4种不同的成份，它们的密度从小到大分为4个等级，在图3种对应33，34，35和36几个部分。由于不同密度的物质对同一能量的X射线线性衰减系数不同，因此入射的X射线束31穿透过被探测物体32后，在空间不同位置射线强度不再相同，如图3中37，38，39所示。这些不同能量、不同强度的X射线进一步照射到探测器40上。探测器40是一个积分型探测器，但是它可以分辨出X射线的不同能量信息，这是本发明的核心之一。X射线入射到能量分辨的X射线积分探测器后光生载流子产生和输运物理过程如图4所示。
在图4中穿过被探测物体的X射线束47假设具有4个能量通道，分别为E1(48),E2(49)，E3(50)和E4(51)。不同能量的X射线束在同一半导体中线性衰减系数不一样，能量越高的X射线穿透深度越大。图4中59和60分别给出能量为E1、E2和E3、E4的X射线的穿透深度。由于不同能量的X射线透射深度不同，所以它们在图4所示的探测器不同的纵向位置被吸收，并产生光生电子/空穴对。这些光生电子/空穴对在偏置电场作用下产生分离，并向公共电极61和像素电极62漂移。为了分辨出不同能量X射线所产生的信号，本发明提出的能量分辨X射线积分探测器需要具备两个特征，其一是本征层光子吸收足够厚，可以将低能X射线光子和高能X射线光子完全吸收；其二是探测器具有单极性载流子传输的特性，即只有一种光生载流子可以有效地传输，并形成探测电流。在图4中我们假设单极性载流子是电子。根据上述假设可以得到公式(2)
Figure BDA0004158337080000081
在公式(2)中，假设我们对像素电极56施加了n个不同的偏置电压V1,V2,…,Vn，LV1,LV2,…,LVn是在不同偏置电压下电子的漂移长度，μe是电子的迁移率，τ是电子寿命，d则是探测器的厚度。其中μe，τ和d仅仅决定于探测器的半导体特性和几何尺寸，与入射的X射线光子能量无关，也与被探测物体的特性无关。X射线在探测器不同空间位置所产生的光生电子数目与该位置所沉积的X射线能量成正比，而且只有当光生电子到像素电极的距离小于电子的漂移长度时，这些光生电子才能被像素电极收集，形成探测光电流。因此，可以得到在不同偏置电压下光电流的表示式(3)
Figure BDA0004158337080000082
式中Iphoto-current-V1,Iphoto-current-V2,…,Iphoto-current-Vn分别是探测器在偏置电压V1，V2，…，Vn下的光电流，它们可以通过读出电路测试得到，是已知的物理量。μe是探测器半导体材料的电子迁移率，它可以通过对半导体材料的电学特性表征得到，也是已知的物理量。LV1,LV2,…,LVn是不同偏置电压下电子的漂移长度，它可以通过公式(2)求出，也是已知的物理量。IE1,IE2,IE3和IE4即使对应光子能量E1、E2、E3和E4的X射线强度，它们就是探测器所需要分辨的不同能量X射线的强度信息。虽然IE1,IE2,IE3和IE4不能够直接通过对像素电极56的电流和电压测量获得，但是它们可以通过对公式(3)的求解获知。公式(3)具有4个待求的未知量IE1,IE2,IE3和IE4，一共有n个方程。当偏置电压数n≥4时，可以利用最小二乘法将公式(3)转换为一个非线性规划问题，然后再利用常规的数学方法求解这个非线性规划问题，最后得到IE1,IE2,IE3和IE4的最优解，即识别出能量为E1、E2、E3和E4的X射线强度。
进一步，识别出穿过被探测物体不同能量X射线强度IE1,IE2,IE3和IE4后，本发明提出采用物质参数对被探测物体的X射线影像进行颜色赋值。从公式(1)中可以看出我们获得的X射线影像灰度I/I0同时受到被探测物体厚度d和被探测物体线性衰减系数μ的影响，所以它不能直接反映被探测物体的物质特性。但是如果我们知道光子能量分别为E1和E2的X射线影像，有
Figure BDA0004158337080000091
Figure BDA0004158337080000092
进而得到
Figure BDA0004158337080000093
Figure BDA0004158337080000094
根据公式(5)得到的不同能量X射线在被探测物体的线性衰减系数可以进一步有
Figure BDA0004158337080000095
在公式(6)中，我们将参数R(E1,E2)被探测物体的物质参数。从公式(6)可以看出，物质参数R(E1,E2)与被探测物体的厚度无关，仅仅决定于被探测物体的线性衰减系数μ,因此它可以较好地反映被探测物体的物质特性。由于物体的线性衰减系数μ不一定具有唯一特征性，即几种物质可能具有同样的物质参数R(E1,E2)。为了提高被探测物体物质特性识别准确性，本发明提出将R(E1,E2)，R(E1,E3)，R(E1,E4)，R(E2,E3)，R(E2,E4)，R(E3,E4)进行组合。
为了重构被探测物体的X射线彩色影像，本发明提出根据物质参数R，利用色调-色饱和-强度(HIS)模型对X射线影像进行彩色赋值。其中图像的色调由被探测物体的物质参数R决定，色饱和度则可以有公式(7)给出
Figure BDA0004158337080000096
Figure BDA0004158337080000101
在公式(7)中，S为色饱和度，I为图像的强度。我们将4种能量X射线的强度平均值作为最终的图像强度，即I＝[I(E1)+I(E2)+I(E3)+I(E4)]/4。
上述能量分辨X射线积分型探测器必需是能量直接转换的X射线探测器，即半导体材料直接吸收X射线光子，利用光电效应产生光生载流子。采用闪烁体的间接型积分X射线探测器则不能区分X射线的光子能量。上述能量分辨X射线积分型探测器还必需完全吸收高能和低能的X射线光子，并具有单极性载流子传输特性。一种典型的能量分辨X射线积分型探测器是钙钛矿晶体p-i-n光电二极管，其结构如图5所示：
在图5所示的探测器结构中，采用本征铅卤混合钙钛矿晶体作为X射线光子吸收体67，如MAPbBr2.5Cl0.5。由于该光子吸收体含有铅和卤素等高原子序数材料，所以它对X射线的吸收系数较高。另外，可以通过溶液法制备大尺寸钙钛矿晶体，通过增大钙钛矿晶体的厚度(使其大于1cm)充分吸收高能X射线能量。在本征钙钛矿晶体中掺入Cl元素获得n型层66，如MAPbBr0.2Cl2.8。同理，在本征钙钛矿晶体中参入Br元素获得p型层，如MAPbBr2.9Cl0.1。通过设置缓冲层使p/i/n半导体层之间界面晶格匹配，从而减少界面缺陷引起的光生载流子复合。在钙钛矿晶体中改变卤素组分，不仅可以调控多子和少子的浓度，还可以改变半导体的带隙。通过能带工程，可以获得如图5所示的导带底(CBM)、价带顶(VBM)，空穴准费米能级(EFp)和电子准费米能级(EFn)。从该能带结构图可以看出，在本征吸收体中所产生的光生空穴受到p型层VBM势垒的阻挡，很难越过势垒到达公共电极52。而光生电子则可以比较顺利地通过n型层达到像素电极56，形成光电子电流，从而实现探测器的单极性载流子传输。
除了采用上述的能带势垒实现探测器单极性载流子传输外，还可以选择公共电极的金属功函数，在公共电极和p型层之间构建较高的肖特基势垒，从而阻挡光生空穴的注入；还可以在p型层选择空穴迁移率较低的半导体材料，降低光生空穴的漂移长度，使光生空穴不能有效到达公共电极，从而获得单极性电子传输。
图6给出了本发明提出的一种积分探测彩色X射线成像工作框图，首先将X射线管作为射线发射源30。由于X射线管利用高能电子轰击金属靶材韧致辐射出X射线，所以射线源30发射的X射线束包含多种光子能量，具有宽谱发射特性。
X射线源30发射出的宽谱X射线31照射到被探测物体32。考虑到一般性情况，被探测物体的密度不均匀，密度从小到大分为33、34、35和36几个部分。X射线束31穿透被探测物体32后，射线的强度被物体的密度和厚度等调制，不同能量的X射线光子透射后具有不同的强度。因此，X射线穿透物体后形成37、38和39的射线强度分布。这些X射线进一步投射到X射线探测器40上。
积分型X射线探测器40的器件结构和工作模式都有别于常规的X射线平板探测器。它是一种直接型探测器，而且光子吸收体54很厚，所以低能X射线和高能X射线都可以被完全吸收。通过设计探测器能带结构65，或者设计公共电极功函数，或者设计掺杂层的载流子迁移率，使得探测器40具有单极性载流子输运的性能。改变偏置电压62，获得不同偏置电压下的光电流。偏置电压的数目n需要远大于能量通道数。
由于不同能量X射线在探测器中透射深度不同，因此它们在探测器不同空间位置产生光生载流子57。进一步，我们通过偏置电压62的变化改变探测器的电场分布63，调控单极性载流子58的传输和复合，获得如公式(2)和(3)所示的光电流分布。我们通过最小二乘法将公式(3)所描述的模型转换为非线性规划问题，再通过常规的数学方法，如拉格朗日算法等，求解约束条件下非线性规划的最优解，得到不同能量X射线穿过被探测物体后的强度分布。
进一步利用公式(4)、(5)和(6)所描述的物理模型，计算得到被探测物体的物质参数。通过不同能量通道的信号组合，提高物质参数的特征表征能力。再利用HIS模型，通过公式(7)重构X射线彩色影像42。其中颜色43、44、45和46分别对应被探测物体的密度33、34、35和36，而图像的灰度则代表被探测物体的厚度。
在本发明中，能量分辨的积分型X射线探测器是核心器件。图5是采用钙钛矿p-i-n光电二极管构成的一种能量分辨X射线积分型探测器。首先采用逆温法制备厚度超过1cm的MAPbBr2.5Cl0.5本征钙钛矿单晶54，利用该本征单晶充分吸收入射X射线能量。然后再采用溶液外延的方法在本征层的上下两个端面分别外延生长n型层55和p型层53，其中通过调控卤素组分改变钙钛矿的半导体特性。在制备过程中，不仅需要调控卤素掺杂的浓度改变p、n特性，还需要通过卤素的改变调控钙钛矿的带隙以及态密度，获得69和70所示的CBM、VBM结构，以及71和72所示的费米能级，使探测器具有单极性载流子输运性能。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种积分探测X射线彩色成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：X射线源利用韧致辐射现象发射X射线束；
步骤2)：所述X射线束经过被探测物体后照射到能量分辨积分型X射线探测器；
步骤3)：所述能量分辨积分型X射线探测器获取所述X射线束在不同探测器偏置电压下的光电流或者光电压信号，再根据光电流或者光电压信号计算出X射线束的强度和能量信息；
步骤4)：信号处理和图像处理模块根据所述X射线束的强度和能量信息计算出被探测物体的物质参数，再利用物质参数对X射线影像的颜色赋值，重构X射线彩色影像。
2.如权利要求1所述的一种积分探测X射线彩色成像方法，其特征在于，步骤2)中，所述能量分辨积分型X射线探测器的本征层为原子序数高、密度高的半导体材料，利用所述半导体材料完全吸收入射的X射线束；所述能量分辨积分型X射线探测器具有单极性载流子传输特征。
3.如权利要求2所述的一种积分探测X射线彩色成像方法，其特征在于，使得所述能量分辨积分型X射线探测器具有单极性载流子传输特征的方法包括：
所述能量分辨积分型X射线探测器采用p-i-n光电二极管结构，利用p-i-n光电二极管的能带和势垒结构形成单极性载流子传输；
所述能量分辨积分型X射线探测器收集电极功函数，通过肖特基势垒形成单极性载流子传输；
所述能量分辨积分型X射线探测器通过调控掺杂区半导体材料的载流子迁移率，使得某一种光生载流子的漂移长度小于该种光生载流子到收集电极的传输长度，形成单极性载流子传输；
所述能量分辨积分型X射线探测器采用溶液外延的方法在所述本征钙钛矿单晶的上端面外延掺杂生长n型层，同时掺入Cl元素；在所述本征钙钛矿单晶的下端面外延掺杂生长p型层，同时掺入Br元素，形成单极性载流子传输。
4.如权利要求3所述的一种积分探测X射线彩色成像方法，其特征在于，步骤3)中，假设单极性载流子是电子，则有不同偏置电压下电子的漂移长度LVn为：
LVn＝μeτ·Vn/d
其中，Vn是偏置电压，n是偏置电压的数量，μe是电子的迁移率，τ是电子的寿命，d是能量分辨积分型X射线探测器的厚度；
假设穿过被探测物体的X射线束具有4个光子能量，分别为E1，E2，E3和E4，得到在不同偏置电压下光电流Iphoto-current-Vn为：
Figure FDA0004158337070000021
其中，IE1,IE2,IE3和IE4即光子能量E1、E2、E3和E4的X射线强度；
当偏置电压的数量n≥4时，利用最小二乘法将Iphoto-current-Vn的表达式转换为一个非线性规划问题，对该非线性规划问题进行求解，最后分别得到IE1,IE2,IE3和IE4的最优解，即得到X射线的强度。
5.如权利要求3所述的一种积分探测X射线彩色成像方法，其特征在于，步骤4)中，再利用物质参数对X射线影像的颜色赋值，对于光子能量分别为E1和E2的X射线影像，物质参数定义为：
Figure FDA0004158337070000022
I0是X射线束入射到被探测物体前的强度，μ是被探测物体的成分；
利用色调-色饱和-强度HIS模型对X射线影像进行彩色赋值得到X射线彩色影像，其中X射线彩色影像的色调由被探测物体的物质参数R决定，色饱和度S定义为：
S＝0.9,I<0.2
S＝0.8,0.2≤I<0.4
S＝0.7,0.4≤I<0.6
S＝0.6,0.6≤I<0.8
S＝0.5,I≥0.8
其中，I为X射线彩色影像的强度，将4种光子能量E1、E2、E3和E4的X射线的强度平均值作为图像强度，即I＝[IE1+IE2+IE3+IE4]/4。
6.如权利要求5所述的一种积分探测X射线彩色成像方法，其特征在于，X射线彩色影像中，灰度代表被探测物体的厚度，颜色代表被探测物体的密度。
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