高分辨率CCD輻射探測器串擾校正

周日峰，胡小龍，唐 杰，謝東洋，劉瑜川，安 康

(1.工業(yè)CT無損檢測教育部工程研究中心，重慶 400044；2.重慶大學 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室，ICT研究中心，重慶 400044；3.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

輻射探測器是Micro-CT、DR等高分辨成像應用系統(tǒng)的核心部件。探測器的空間分辨率、量子探測效率、信噪比等直接影響Micro-CT、DR成像系統(tǒng)的分辨率、檢測效率、圖像質(zhì)量等關(guān)鍵性能[1-2]。隨著材料科學的發(fā)展，不斷出現(xiàn)了高射線轉(zhuǎn)換效率、高發(fā)光效率、短余輝、易加工、不潮解等綜合性能優(yōu)異的新型閃爍體材料[3-5]，如Gd3Al2Ga3O12(GAGG)、Lu1.8Y0.2SiO5(LYSO)、Lu3A5O12(LuAG)[5-6]等。這些新型閃爍體與科學級CCD圖像傳感器耦合，理論上可極大提高輻射探測器的量子效率、信噪比和空間分辨率，對滿足Micro-CT、DR等高分辨成像應用的需求有重要意義。

然而，由于GAGG閃爍體發(fā)光和光子傳輸?shù)母飨蛲蕴匦裕oμm級像元輻射探測器帶來難以忍受的串擾噪聲，導致輻射探測器空間分辨率的實際值與理論值相差甚遠。理論和實踐均表明探測器像元間串擾噪聲是影響空間分辨率的主要原因。如Hamamatsu公司的C12849-111M探測器，其像元尺寸為6.5 μm，按Nyquist采樣定理[7]，理論極限空間分辨率可達76.9 lp/mm，而實際為33 lp/mm[8]。

對于常規(guī)的非晶硅面板探測器(FPD)，現(xiàn)有多種串擾校正方法[9-16]，其中最常用的是點擴散函數(shù)(PSF)校正法。在FPD前放置1個與探測器像元尺寸(100～500 μm)相近的小孔或狹縫，X射線穿過小孔或狹縫后被探測器接收成像，經(jīng)圖像濾波、歸一化后擬合成探測器系統(tǒng)PSF，最后利用該PSF對探測器投影數(shù)據(jù)進行串擾校正。由于該校正方法要求小孔或狹縫的尺寸與探測器像元的尺寸接近，對于像元μm尺寸的CCD輻射探測器，受小孔和窄縫的極高寬深比加工要求的限制，該方法不適用于μm像元CCD輻射探測器串擾校正。另一方面，探測器的PSF函數(shù)與X射線源的焦點尺寸、幾何放大倍率等實驗條件有很大關(guān)系。因此，用實驗方法測定PSF進行探測器串擾校正，必然會帶來不可忽略的誤差。

本文理論分析高分辨率CCD輻射探測器串擾產(chǎn)生的物理機理，提出通過蒙特卡羅EGSnrc仿真結(jié)合Zemax光學仿真計算探測器系統(tǒng)像元串擾率函數(shù)(CTF)，再利用CTF反卷積算法對投影數(shù)據(jù)進行串擾校正，最后通過雙絲型像質(zhì)計進行探測器的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)實驗驗證。

1 探測器結(jié)構(gòu)和原理

高分辨率CCD輻射探測器結(jié)構(gòu)如圖1a所示，其主要由閃爍體、光纖面板(FOP)、CCD圖像傳感器構(gòu)成。圖1b為X射線的探測過程[17-18]，X射線入射到閃爍體上與閃爍體原子作用激發(fā)出可見光(熒光)，熒光經(jīng)FOP傳輸?shù)紺CD上被轉(zhuǎn)化為電信號，最后電信號按照一定順序被讀出電路讀出，并經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接嬎銠C進行圖像顯示。這種高分辨率輻射探測器在生命科學、材料科學、石油地質(zhì)等領(lǐng)域有廣泛的應用前景[19-21]。圖2為Hamamatsu C12849高分辨率輻射探測器在CT中的典型應用，射線源為L9181-02，電壓為40 kV，射線源焦點與被探測物理表面的距離SOD=34.4 mm，射線源焦點與探測器表面的距離SDD=306.4 mm，幾何放大倍率M=8.9。

a——結(jié)構(gòu)示意圖；b——工作原理示意圖圖1 高分辨率CCD探測器結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagrams of structure and working process for high-resolution CCD detector

圖2 高分辨率輻射探測器對牙簽的CT圖像Fig.2 CT image of toothpick by high-resolution radiation detector

2 理論與仿真

2.1 串擾噪聲

X射線入射到探測器的閃爍體中，由于X射線光子與閃爍體原子發(fā)生光電效應、康普頓效應、瑞利散射等，X射線光子偏離原來入射方向即發(fā)生散射[17,22]。這些散射X射線產(chǎn)生的熒光被相鄰其他CCD像元吸收，從而產(chǎn)生串擾信號[17]，如圖3所示。更重要的是，多數(shù)閃爍體受激后發(fā)出的熒光在閃爍體內(nèi)的傳輸是各向同性的，熒光的周向擴散傳播被相鄰CCD探測器像元吸收而產(chǎn)生嚴重的熒光串擾信號。很容易理解，閃爍體內(nèi)部的散射X射線和熒光漫散射產(chǎn)生的串擾信號均隨探測器像元尺寸減小而增加。因此，對像元μm尺寸的CCD探測器，串擾是影響其空間分辨率提高的主要原因，如圖3b所示。

a——X射線在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生X射線散射和熒光漫散射示意圖；b——串擾信號對CCD像元信號測量值影響示意圖圖3 高分辨率CCD探測器串擾產(chǎn)生示意圖Fig.3 Schematic diagram of crosstalk generation of high-resolution CCD detector

2.2 串擾校正方法

實驗直接測量探測器像元之間的串擾量非常困難[23-24]，尤其對于像元μm尺寸的CCD輻射探測器，目前最理想、最有效的方法是理論計算和數(shù)值模擬仿真[25-27]。本文利用EGSnrc蒙特卡羅仿真軟件和光學仿真軟件Zemax OpticStudio進行建模、理論計算和仿真，研究X射線在閃爍體內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化和熒光在閃爍體內(nèi)的吸收衰減和散射等物理過程，并利用理論仿真計算的散射X射線串擾分布函數(shù)和熒光漫散射串擾分布函數(shù)對探測器的數(shù)據(jù)進行串擾校正。串擾校正流程如圖4所示，具體如下。

圖4 探測器串擾校正流程圖Fig.4 Flow chart of detector crosstalk correction

1) EGSnrc仿真計算閃爍體各體素(i,j,k)的X射線吸收劑量IX，即X射線散射串擾函數(shù)fX(k)(i,j)：

IX=fX(k)(i,j)

(1)

2) Zemax OpticStudio仿真計算各閃爍體體素(i,j,k)發(fā)出的熒光經(jīng)閃爍體自吸收衰減和漫散射后被CCD像元吸收的強度IP，即熒光漫散射串擾函數(shù)fP(k)(m,n)：

IP=fP(k)(m,n)

(2)

其中：(m,n)為CCD像元坐標；fP(k)為閃爍體第k層體素。則探測器CTF為：

(3)

其中，L、W、H分別為閃爍體長、寬、高方向的體素數(shù)量。

3) 以CTF(m,n)作為校正串擾噪聲的卷積核，通過Lucy-Richardson反卷積[28]運算對探測器投影數(shù)據(jù)進行串擾校正。

2.3 理論與仿真

1) X射線散射串擾仿真

EGSnrc是基于概率統(tǒng)計的蒙特卡羅方法，能模擬前100號元素組成的單質(zhì)、化合物、混合物及各種形狀物質(zhì)中的電子和光子輸運過程。能量范圍為1 keV至幾TeV，涉及的物理過程包括光電效應、康普頓散射效應、電子對效應及瑞利散射等[29-31]。仿真物理模型如圖5所示，X射線能量為30 keV，束截面為10 μm×10 μm，入射到GAGG閃爍體上表面中間體素位置處。仿真主要參數(shù)列于表1。

圖5 EGSnrc射線散射仿真模型Fig.5 Simulation model of EGSnrc ray scattering

表1 蒙特卡羅仿真主要參數(shù)Table 1 Main setting parameter for Monte Carlo simulation

仿真結(jié)果如圖6所示，圖6a為GAGG閃爍體中最上層11×11個體素的X射線吸收劑量分布，圖6b為閃爍體第1、5、10體素層的中心行1×11個體素串擾率歸一化曲線。

圖6 GAGG X射線吸收劑量分布及體素串擾率Fig.6 GAGG absorbed dose distribution and voxel crosstalk rate

2) 熒光漫散射串擾仿真

Zemax OpticStudio是一款使用光子追跡方法模擬光束反射、折射、偏振等過程的光學設(shè)計和仿真軟件[32]，本文采用該仿真軟件模擬不同波長的熒光在GAGG閃爍體內(nèi)的散射、吸收和傳輸過程。

GAGG閃爍體最上表面體素發(fā)出的熒光在閃爍體內(nèi)部的傳輸、漫散射如圖7所示(圖中僅示意了被CCD像元吸收的熒光)。熒光在閃爍體內(nèi)部傳輸擴散后，被CCD像元吸收。CCD像元熒光吸收分布與閃爍體發(fā)光體素的位置有關(guān)。GAGG閃爍體受激后產(chǎn)生的熒光發(fā)光光譜以及1 mm厚度下的透過率曲線如圖8所示[6]。為簡化計算，忽略不同波長熒光在模型中傳播時的色散。CCD對不同波長以及不同入射角度的光子具有不同的響應特性，圖9a為入射角度0°時的光譜響應曲線，圖9b為波長為540 nm時的角度響應曲線。

圖7 熒光在GAGG閃爍體內(nèi)部傳輸、散射示意圖Fig.7 Schematic diagram of transmission and diffuse scattering of fluorescence in GAGG scintillator

a——GAGG閃爍體發(fā)射光譜；b——GAGG閃爍體1 mm透過率曲線圖8 GAGG閃爍體發(fā)射光譜及透過率曲線Fig.8 Curves of GAGG emission spectrum and transmittance

圖9 CCD光譜響應及角度響應曲線Fig.9 Curves of CCD spectral response and angular response

光學仿真主要參數(shù)列于表2，將GAGG閃爍體的熒光發(fā)射光譜、透過率以及CCD角度光譜響應等參數(shù)導入到Zemax，則可仿真計算熒光在GAGG閃爍體的傳輸、散射過程，以及CCD傳感器對熒光吸收分布。先對GAGG閃爍體表層中心位置的發(fā)光體素單元仿真，得到該發(fā)光體素發(fā)出的熒光被CCD傳感器吸收的強度分布，再用同樣的方法逐層仿真計算出整個GAGG閃爍體各層中心體素發(fā)光情況。仿真結(jié)果如圖10所示，圖10a為GAGG閃爍體表層中間發(fā)光單元發(fā)出的熒光被CCD傳感器吸收后的強度分布，圖10b為閃爍體第1、5、10層中間發(fā)光體素發(fā)出的熒光導致的漫散射串擾曲線。

表2 光學仿真主要參數(shù)Table 2 Optical simulation parameter

圖10 CCD探測器熒光吸收強度分布(a)及不同體素層閃爍體對CCD像元間產(chǎn)生的串擾率(b)Fig.10 Intensity distribution of fluorescence absorption by CCD detector (a) and corresponding crosstalk rate between CCD pixels (b)

3) 探測器系統(tǒng)CTF

計算X射線散射串擾率和熒光漫散射串擾率仿真后，由式(3)即可計算探測器系統(tǒng)CTF。探測器像元間的CTF如圖11所示，圖11a為歸一化后探測器像元間的CTF的三維顯示，圖11b為對應的CCD像素中心行的二維串擾率曲線。仿真結(jié)果表明，探測器的串擾率與閃爍體厚度、CCD像元尺寸等有關(guān)，100 μm厚的GAGG閃爍體，對相鄰第1個像元串擾率為53.97%，對相鄰第2個像元串擾率為23.81%，對相鄰第3個像元串擾率為13.59%。仿真結(jié)果也證明了探測器像元間的串擾噪聲是影響探測器分辨率的主要因素。

圖11 CCD探測器像元間串擾率Fig.11 CCD detector’s crosstalk rate between detector pixels

3 實驗

利用圖12所示的GAGG閃爍體、CCD傳感器、FOP等搭建探測器系統(tǒng)進行串擾實驗。閃爍體為中國電子科技集團二十六所生產(chǎn)的Ce:GAGG[6]，尺寸為38 mm×38 mm×0.1 mm；CCD傳感器為安森美公司的KAF-16803，像元尺寸為9 μm×9 μm，成像面積為36.8 mm×36.8 mm。GAGG閃爍體通過FOP耦合到KAF-16803圖像傳感器上。探測器的實物圖如圖12d所示。

a——GAGG閃爍體；b——KAF-16803 CCD傳感器；c——FOP；d——探測器實物圖12 GAGG閃爍體耦合光線面板CCD探測器Fig.12 GAGG scintillator coupled light panel CCD detector

圖13為雙絲型像質(zhì)計ISO19232-5 F349的DR圖像(X射線源型號為Hamamatsu L10321，電壓70 kV、電流100 μA)。圖13a為原始DR圖像，圖13b為串擾校正圖像，圖13c為串擾校正前、后的灰度曲線。圖13c中的曲線表明校正后的雙絲像質(zhì)計的灰度對比值得到明顯提升。

圖13 校正前、后DR圖像及灰度曲線Fig.13 DR image and gray curve before and after correction

利用雙絲像質(zhì)計DR圖像可計算探測器系統(tǒng)的MTF[33]：

(4)

其中：d為雙絲線對之間的灰度差值；B為線對峰值灰度與背景灰度的差值。經(jīng)多項式擬合可繪制串擾校正前、后的MTF曲線，如圖14所示。結(jié)果表明，串擾校正后探測器系統(tǒng)的MTF有明顯的提高。

圖14 串擾校正前、后的探測器系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)曲線Fig.14 Modulation transfer fuction curve of detector system before and after crosstalk correction

4 結(jié)論

常規(guī)的FPD利用小孔或窄縫成像等方法，通過測量探測器系統(tǒng)PSF校正串擾噪聲。但受小孔和窄縫的寬深比加工限制，這些方法不適用于像元μm尺寸的CCD輻射探測器串擾校正。另一方面，探測器系統(tǒng)的PSF函數(shù)與射線源的焦點尺寸、放大倍數(shù)等實驗條件有關(guān)，用實驗測定的PSF進行探測器串擾校正必然會帶來不可忽略的誤差。本文理論分析了高分辨率CCD輻射探測器串擾產(chǎn)生的物理機理，建立了串擾仿真模型，通過蒙特卡羅EGSnrc仿真和Zemax光學等仿真工具，理論計算了探測器系統(tǒng)CTF(m,n)，再以CTF為卷積核，通過Lucy-Richardson反卷積運算對實際投影數(shù)據(jù)進行串擾校正。仿真結(jié)果證明了探測器像元間的串擾噪聲是影響探測器分辨率的主要因素。探測器串擾校正驗證實驗結(jié)果表明，串擾校正前、后的探測器系統(tǒng)MTF曲線有明顯改善，驗證了本方法可有效校正高分辨率CCD輻射探測器串擾噪聲，對提高探測器的空間分辨率有顯著的效果。