级联线性系统模型建模与计算机X射线成像探测器

级联线性系统模型建模与计算机X射线成像探测器

介绍

使用存储荧光成像板（IP或PSP），而不是在计算机放射成像无损检测胶片系统已经在过去几年中增加特定设备制造商已经开发。标准[3-4]分类测试金属材料与这些系统的制度和原则，2005年出版。 90年代以来已开发几种射线链模拟器。他们包括几种探测器，如标准的像素化探测器，电影系统，平板显示器（最近看到一个评论[7]）的模型。本文的目的是CR探测器的模型设计，通过已经存在的方式呈现的第一步。

1。 CR：一个多步骤过程的基本流程

1.1物理学CR

读者可以参考最近的评论文章，在医疗领域[1,2]。图1 [2]总结了形成的图像在成像板（IP）或光激励荧光板（PSP）的步骤：
（1）
图像采集涉及到暴露于病人（对象）与研究特定的X-射线技术，并记录发送与PSP检测器的X-射线通量。
（2）
将所得的潜像中提取经由读取器的移动设备，使用激光刺激和记录的PSL强度。
（3）
图像预处理包括校正系统在提取过程中的变化，并确定相关的信息的范围内，随后调整的数字值的归一化的输出范围。
（4）
图像后处理转换为数字值的原始数字图像来呈现灰度和高频增强，适用于详细调查。
（5）
的输出图像被显示在一个校准的图像显示器上介绍的。

图1。 PSP的图像采集和处理，可以分为五个不同的步骤中[2]。

图2。荧光体板的周期[2]

荧光体板的周期中概述的图。 2。
（a）在
未曝光的板包括在PSP材料层叠在一个底座支承和保护由薄的，透明的涂层。
（b）在
曝光到X射线产生潜像的电子在晶体结构中的亚稳态的能量陷阱中心。
（C）
潜图像处理与光栅扫描的激光束来完成。从发光中心俘获的电子被释放，并产生光，通过导光组件和收集到的PMT。
（D）
具有高强度的光源，除去残余的俘获电子
（E）
该板返回到盒再利用。
的PSP材料组成的混合物中小晶粒BaFX：Eu2 +的粘合剂（由有机材料制成的）。上沉积的聚合物衬底上，通常聚酯薄膜。的基材层和光敏层之间，有一个光吸收或反射层（灵敏度或分辨率优化）。的的PSP材料是由薄薄的一层保护。敏感层的堆积因子为～60％。人们可以看到图中的堆栈。 3 [8]，以及典型的PSP的材料厚度。该粘合剂可包括有机染料吸收的刺激的激光的空间分辨率的优化。
厂家[9-12]提出了更高分辨率的IPS HR（40-50 mg/cm2的）和HS（每平方公分70-100毫克）的。每种类型的屏幕采用了不同的晶粒尺寸。屏幕厚度应不大于10-20倍晶粒尺寸的光扩散的考虑，因此空间分辨率。

HR～40-50 mg/cm2的HS～70-100 mg/cm2的

图3。的PSP层的结构[8]。表1 [1]总结了不同的PSP粉末材料的主要性能。表1中。中央粉光激励元件的物理性质[1]。 G是转换增益（发射光子吸收的能量充分刺激时每50千电子伏）。

板的扫描完成通常与一个飞行的激光光斑。这不应该降低的固有空间分辨率的表现，如果正确地设计和使用。 （例如，降解可能来自过度的激光光斑功率）。

1.2表演

发射的光超过四十年中的光敏层吸收的能量成比例。由于发射光敏感层，吸收或反射的光扩散，空间分辨率是不是好电影。它通过调制传递函数（MTF）。见[1-2 9-13]。了整个系统的性能，这是一个组合的灵敏度，空间分辨率和噪声，可以通过其检测量子效率（DQE）
DQE =（SNRout2 / SNRin2）。 DQE可以分解成几个步骤[2]或更详细的[1]。最后，有一个信噪比（SNR）随剂量的饱和度，由于IP结构噪声[1,8]。

1.3高能量特异性

膜系统，在正面和背面的图像板使用金属屏蔽，以提高画面内产生的二次X光子和电子的信号通过，并且可以过滤低能量散射信号。 （见[4]中的建议）。

2。级联模型

2.1国家艺术

继承中的不同的线性阶段导致级联模型的使用。这种类型的模型引入由坎宁安[14]。总的想法是，一​​个系统是一个连续的阶段，每个阶段中，平均信号和噪声的图像，根据典型的公式的过程的种类取决于传播。这些参数是全球MTF（调制传递函数），NPS（噪声功率谱）和探测量子效率（DQE）。最近发表的一篇[16,17] IP为医疗应用，显示了相当详细的级联模型。它不包括任何屏幕上，需要大量的物理参数。级联模型在SINDBAD和开发用于模拟平板[5]是一个务实的灵感来自一些坎宁安队模型[15]。搭载信号和噪声，通过不同类型的过程（扩增过程中，随机模糊过程的，确定性的模糊处理，噪声加法处理）。参见上图。 3和表2中的过程的细节。

​

图4。线性成象过程的表2中的输入/输出原理。级联模型的基本过程一览

非线性转换过程转换表换算表
2.2拟派CR级联模型

我们提出了一个简化的模型，使用的的级联SINDBAD模型于表2中的不同阶段。有些阶段可以进一步拆分成子步骤，如果可以找到详细参数。考虑高能量，该模型的第一个步骤，在光敏层与或不与无屏 - 能量吸收的特定的应用程序是很重要的。它定义的敏感性，因此希望的主要成分的噪声，量子噪声，如果不是在结构噪声饱和区。因此，为了获得良好的信噪比估计我们首先着眼于这一步。

表3中。 CR系统的建议级联模型

3。在第一步骤的级联模式：评估与佩内洛普[6]

使用铱192源检查厚钢板对象（见图5），这是有用的，以获得足够的信号，产生大量的散射进行小细节上的一点有用的信息。由于敏感层的IP是相当敏感的低能量（由于钡），而不是多的高能量，它建议把金属屏蔽（通常会导致），在前面和后面的IP，作为膜系统。 （见[4]）。它们加强了在屏幕发出的信号通过二次光子和电子过滤低能量分散通量的。

图5。频谱后发送一条5厘米的铁板坯。铱192源。 （箭头：电源线铱星源）。

将得到的光信号的光敏层中吸收的能量成比例。 （G-140个光子/ 50千电子伏）。见表1。在SINDBAD，考虑采取屏幕有两种方式：
1屏幕过滤器：比尔 - 朗伯衰减在过滤器中，然后在吸收

敏感层（厚度d），使用的能量吸收因子exp（-μtot_screeb* dscreen）*μae/μtot*（1-EXP（-μtot*四））2的屏幕可以是要被检查的对象的一部分，从而使二次光子
产生屏幕以及衰减（蒙特卡洛模拟），我们检查一个完整的蒙特卡洛代码，佩内洛普，如果第一选项是现实的。模拟的条件是：BaFBr小时为150μm（填料因子60％），薄膜状的保护层30微米，下的的BaFBr层（300微米）的聚酯薄膜基片。 3设置：
-
没有屏幕
-
300微米的铅面前的屏幕，150微米背屏
- 400微米铅面前的屏幕，400微米背屏（见EN系统的分类[4]）在圆柱形几何单能铅笔束照射。

图图6和图7示出与不同的单位相同的结果。图图6示出了在光敏层吸收的能量的光子的能量为一个函数的分数。图图7示出了每g/cm2敏感材料所吸收的能量（千电子伏）。最后一个是类似于曲线计算与BaFBr单独MCNP [18]。使用无铅屏幕并将响应相当有效，除了在70-80千电子伏区，那里有铅K边和Pb荧光线。对于这两个图中，有的的PENELOPE结果之间的比较和分析公式用于SINDBAD。仅对于BaFBr，超过200千电子伏的差异是显着的。用PB屏幕的差异开始，更低的能量。显然，这是不可能的模拟铅屏仅作为滤波器，用于铱192的能量。进一步的分析，可以发现无论是作为薄膜，也可以使用吸收的能量在屏幕上的IP反应，得到更好的近似。或者，如果辅助的光子产生的信号增强的重要贡献，作为保护层和基体部分可能会吸收二次电子。在这种情况下，我们可以考虑作为对象的一部分在屏幕上，并计算其二次光子发射。

分数吸收入射的光子能量在敏感层（HR IP）带或不带铅屏图7。的能量吸收敏感层中的（一个HR IP）带或不带铅屏作为入射光子能量的函数（同图4）

在光敏层为300千电子伏的笔形波束的吸收信号的能量谱。无铅屏幕移动IP朝着更高的能量响应。但是，的BaFBr层的荧光铅线，这是不好的空间分辨率是相当敏感的。 BaFBr和Pb之间的像铁，铜或镍片的使用当然这些线路衰减。

铅荧光

在敏感层与铅屏前（300微米/ 150微米，蓝）和不带屏幕（红色）为300千电子伏事件光子铅笔束的吸收光谱。

结论和观点

第一步已经实现了一款型号为CR的发展。考虑到高能量的无损检测特异性，正在调查两种方式并行：
-
用尽可能少的步骤，尽可能使用SINDBAD级联模型（搜索合成表演）
-
第一步骤（吸收的能量）的可靠的模型 - 在光敏层的IP屏系统吸收的能量 - 的帮助下，一个完整的蒙特卡洛代码，PENELOPE搜索。这是必要的条件，以获得良好的信噪比估算。一个通用的高分辨率成像板模型的灵敏度响应高达1兆电子伏的单能X射线光子一直模拟。更复杂的屏幕空间分辨率和响应正在调查中。特定的CR系统的更详细的信息是需要得到一个可靠的模型。
参考文献

[1] J.A.罗兰兹“物理的计算机放射”物理。地中海。生物学。 47（2002）R123-R166
[2] AAPM报告。 93，“照片应激荧光体成像系统”的验收测试和质量控制。工作组报告第10美国协会医学物理学家，2006年OCTOBRE
[3] EN 14784-1“非破坏性测试 - 工业计算机X射线成像与存储荧光成像板 - 第1部分：系统分类
[4] EN系统的分类“非破坏性测试 - 工业计算机X射线成像与存储荧光成像板 - 第2部分：金属材料，使用X射线和伽玛射线检测的一般原则”
[5 J] Tabary，P. Hugonnard，F.麦菲，“SINDBAD：一个现实的多用途和可扩展X射线仿真工具无损检测应用”，诠释。症状。在DIR和CT，里昂，2007年6月。
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[9] http://www.fujifilm.com/products/ndt/
[10]（http://www.ge-mcs.com/en/radiography-x-ray/digital-x-ray/phosphor-imaging-plates.html）
[11] http://www.carestreamhealth.com/nondestructivetesting.html的
[12] CARESTREAM INDUSTREX：“数字成像板技术参数表”2011年2月•TI-2632
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[14] http://www.imaging.robarts.ca/～icunning的/ HTML / publications.php
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[16]斯里尼瓦桑Vedantham和安德鲁Karellas的“造型医疗成像，计算机放射成像（CR）系统”，IEEE交易的性能特点。 29，NO。 3，2010年3月
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[18] SCACorrea人，“计算机放射成像模拟蒙特卡罗代码MCNPX”，应用放射ISOT。 2010年9月，68（9）:1662-70。