Ein vertikaler Matrix-Röntgendetektor für die Multi-Energie-Diskriminierung

Es gibt drei Arten von Zapfenzellen in der Netzhaut, die als L-Zapfen (empfindlich für rotes Licht), M-Zapfen (empfindlich für grünes Licht) und S-Zapfen (empfindlich für blaues Licht) bezeichnet werden. Die koordinierte Reaktion von Zapfenzellen auf sichtbares Licht im Wellenlängenbereich von 400-780 nm lässt uns die bunte Welt sehen. Im Wellenlängenbereich der unsichtbaren Röntgenstrahlung (1 pm – 10 nm) erfüllen Röntgendetektoren die gleiche Funktion wie „Augen“. Röntgendetektoren wenden jedoch im Allgemeinen eine Ladungsintegrationsmodusdetektion an, die Wellenlänge und Energie nicht unterscheiden kann. Daher können digitale Röntgen- und CT-Untersuchungen nur Graustufenbilder liefern.

Tatsächlich trägt die Photonenenergie von Röntgenstrahlen viele Informationen. Das Röntgenabschwächungsvermögen hängt von der Energie der emittierten Photonen und der Dichte und Zusammensetzung des durchdrungenen Objekts ab. Die Entwicklung der Röntgendetektion für die Zwei-Energie- oder Mehr-Energie-Unterscheidung ist eine wichtige Forschungsrichtung in verwandten Gebieten. Diese Detektoren sind nützlich, um Substanzen unterschiedlicher Dichte zu unterscheiden, den Bildkontrast zwischen organischen und anorganischen Objekten zu verbessern und weiche Substanzen (Gummi, Kunststoff, Weichgewebe usw.) zu identifizieren, die Strahlung schlecht absorbieren.

Darüber hinaus kann der Detektor auch Bilder verschiedener Substanzen am selben Ort mithilfe digitaler Subtraktion extrahieren, z. B. Knochen subtrahieren und nur das Lungenbild in einer Röntgenaufnahme des Brustkorbs erhalten. Allerdings kann die Energiediskriminierung von Doppelschichtdetektoren derzeit die komplexen Bildgebungsanforderungen nicht erfüllen. Und der indirekte Röntgendetektionsmodus (Röntgenstrahlen → sichtbares Licht → Elektronenladung), der jetzt angewendet wird, begrenzt üblicherweise die Detektionsempfindlichkeit, was eine hohe Strahlungsdosis für eine klare Abbildung erfordert.

In einem neuen Artikel, erschienen in Lichtwissenschaft & Anwendung, ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Guangda Niu und Professor Jiang Tang vom Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, China, und Mitarbeiter haben zum ersten Mal das neuartige Design von „vertikalen matrix“ direkte Perowskit-Röntgendetektoren (Röntgenstrahlung→Elektronenladung) für die Multienergiedetektion. Der Begriff „vertikale Matrix“ bedeutet, dass die Detektoranordnung eher entlang der Einfallsrichtung eines Röntgenstrahls als senkrecht zur Einfallsrichtung ausgerichtet ist. Das Prinzip ist, dass Röntgenphotonen mit unterschiedlicher Energie unterschiedliche Schwächungstiefen innerhalb der vertikalen Matrix haben und Photonen mit niedriger Energie die meiste Energie in den flachen Schichten und Photonen mit hoher Energie in tieferen Schichten deponieren. Dadurch konnte die vertikale Matrix das Röntgenspektrum detailliert wiederherstellen. Außerdem kann dieser Röntgendetektor eine effektive Mehrfachenergieunterscheidung bei einer einzigen Belichtung realisieren, was bei herkömmlichen Detektoren nicht erreicht wurde. Mit Hilfe der Subtraktionsmethode konnte es Objekte mit niedriger und hoher Dichte klar unterscheiden.

In dieser Veröffentlichung konstruierten die Forscher die Umwandlungsmatrix zwischen dem Röntgenenergiespektrum und den Elektrodenantworten der vertikalen Matrix in fünf Bereichen. Die Konversionsmatrix ist universell für verschiedene Röntgenspektren, was nur von der Struktur und den Eigenschaften des Detektors selbst abhängt.

„Zur Demonstration haben wir die Grenzenergiewerte für unbekannte Röntgenquellen genau abgeleitet. Die Elemente der rekonstruierten Spektralmatrix haben nicht nur klare Grenzkanten, die zu den tatsächlichen Ansteuerspannungen (45 kVp, 55 kVp, 65 kVp) passen ), weisen aber auch kleine Lücken mit den simulierten Röntgenspektralintensitäten von 10,41 % (45 kVp), 2,77 % (55 kVp) bzw. 2,97 % (65 kVp) auf. Diese gute Übereinstimmung beweist die Wirksamkeit der Umrechnungsmatrix“, heißt es in der Studie.

„Wir haben CaCO3, PDMS und Paraffin mit ähnlichen Dichten proportional verwendet, um die drei wichtigsten Komponenten im menschlichen Körper, Skelett, Blut und Muskeln sowie Fett, für Multienergie-Röntgenbildgebungsanwendungen zu ersetzen. Die Substanzen mit niedriger Dichte haben eine höhere Bildgebung Kontrast von der Front-End-Elektrode, und die schweren Substanzen werden deutlicher in der Back-End-Elektrode abgebildet. Mehrere Gruppenbilder verschiedener Substanzen können durch digitale Subtraktion getrennt werden. Der vertikale Matrixdetektor könnte einen Satz von Bildern erzeugen, die die Dichte- abgestuften Informationen unter Einzelbelastung, und lokalisieren Sie die verborgene Position für alle Substanzen mit niedriger, mittlerer und hoher Dichte.“

„Der vertikale Matrix-Perowskit-Detektor kann Schwarzweiß-Röntgenfotos mit Farbe versehen und mehr verborgene Informationen in Anwendungen wie der Krankheitsdiagnose liefern. Er bietet ermutigende Möglichkeiten für kostengünstige Röntgenspektrometer der nächsten Generation mit Energieauflösung, Substanz Diskriminierung und Bildkontrastverstärkung“, sagen die Wissenschaftler.