Vol. 55 ,No. 6
Jun.2021
第55卷第6期
2021年6月
原子能科学技术
AtomicEnergyScienceandTec:nology
周日峰1!!，胡小龙2，唐杰2，谢东洋2，刘瑜川2，安康1,2,3
"
1工业CT 无损检测教育部工程研究中心，重庆 400044#
2.重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室J CT 研究中心，重庆400044#
3.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400044)
摘要：近年来出现的新型闪烁体与科学级CCD 图像传感器耦合的高分辨辐射探测器，对提高Micro-CT 等高分辨成像系统的空间分辨率、信噪比、图像质量等有重要意义，具有广泛的应用前景％但新型闪烁 体如Gd 3Al 2Ga 3O 12等发光传输的各向同性特性，给尺寸的CCD 像元带来了严重的串扰噪声，导致
辐射探测器系统空间分辨率的实际值与理论值相差甚远％本文理论分析了高分辨率CCD 辐射探测器
串扰产生的物理机理，提出了利用蒙特卡罗EGSnrc 仿真和Zemax 光学仿真工具理论计算探测器系统 像元间的串扰率函数(CTF)，再以CTF 为卷积核，通过Lucy-Richardson 反卷积运算对实际投影数据进
行串扰校正，用双丝型像质计进行验证实验％实验结果表明，本方法可有效校正探测器串扰噪声，对改
善探测器系统的调制传递函数和提高空间分辨率等有明显的效果％
关键词：辐射探测器;Gd 3Al 2Ga 3O 12闪烁体；CCD 图像传感器；探测器串扰校正
中图分类号:TL81
文献标志码:A 文章编号：1000-6931(2021)06-1105-09
doi ：
10. 7538/yzk. 2020. youxian. 0578
Crosstalk Correction for High-resolution CCD Radiation Detector
ZHOU Rifen g 12'3 , HU Xiaolong , TANG Jie 2, XIE Dongyang 2,
LIU Yuchuan 2 AN Kang 123
(1. Engineering Research Center of Industrial CT Nondestructive
Testing of BLinistry of Education , Chongqing 400044 , China #
2. Key Lab of Optoelectronic Technology and Systems , Ministry of Education ,
ICT Research Center , Chongqing University , Chongqing 400044 , China #
3. State Key Laboratory of Mechanical Transmission , Chongqing University , Chongqing 400044 , China )
Abstract : In recent years , high-resolution radiation detectors with direct coupling be-
tweennewscinti l atorsandCCDimagesensorsplayanimportantroleinimprovingthe
spatialresolution detectione f iciency imagequalityandotherperformanceindexesof Micro-CTandotherhigh-resolutionimagingsystems.However duetothemicronpixel
sizeofCCDandtheisotropicluminescenceandothercharacteristicsofnewscinti l ators suchasGd 3Al 2Ga 3O 12 italsobringsseriouscrosstalknoisebetweenthedetectorpix- els resultinginthedi f erencebetweentheactualandtheoreticalvaluesofthespatial
收稿日期2020-08-19#修回日期2020-10-21
基金项目：国家自然科学基金重大科研仪器研制项目资助(11827809)；国家重大科学仪器设备开发专项资助项目(2013YQ030629)
1106原子能科学技术第55卷
resolution of the radiation detector system.Firstly,the physical mechanism of crosstalk of high-resolution CCD radiation detector was systematically analyzed theoretically in this paper.Secondly,uti
lizing the tools such as Monte Carlo EGSnrc,Zemax and so on, the crosstalk rate function(CTF)was calculated theoretically.Then CTF was used for crosstalk correction of projected data.Finally,the image experiment of the dualfilament was implemented.It is illustrated that this method can effectively correct the crosstalk noise and improve the spatial resolution and modulation transfer function evidently for the high-resolution CCD radiation detector.
Key words:radiation detector#Gd3Al2Ga3O i2scintillator#CCD image sensor#crosstalk correction of detector
辐射探测器是Micro-CT、DR等高分辨成像应用系统的核心部件。探测器的空间分辨率、量子探测效率、信噪比等直接影响Micro-CT、DR 成像系统的分辨率、检测效率、图像质量等关键性能⑴2*。随着材料科学的发展，不断出现了高射线转换效率、高发光效率、短余辉、易加工、不潮解等综合性能优异的新型闪烁体材料M，如Gd3Al Ga O k(GAGG)、Lu.8Y°.2SiO5(LYSO)、L’A s O k(LuAG)"等。这些新型闪烁体与科学级CCD图像传感器耦合，理论上可极大提高辐射探测器的量子效率、信噪比和空间分辨率，对满足Micro-CT、DR等高分辨成像应用的需求有重要意义。
然而，由于GAGG闪烁体发光和光子传输的各向同性特性，给M m级像元辐射探测器带来难以忍受的串扰噪声，导致辐射探测器空间分辨率的实际值与理论值相差甚远。理论和实践均表明探测器像元间
串扰噪声是影响空间分辨率的主要原因。如Hamamatsu公司的C12849-111M探测器，其像元尺寸为6.5M m，按Nyquist采样定理⑺，理论极限空间分辨率可达76.9lp/mm，而实际为33lp/mm「8*%对于常规的非晶硅面板探测器(FPD)，现有多种串扰校正方法®16*，其中最常用的是点扩散函数(PSF)校正法％在FPD前放置1个与探测器像元尺寸(100〜500ym)相近的小孔或狭缝,X射线穿过小孔或狭缝后被探测器接收成像，经图像滤波、归一化后拟合成探测器系统PSF，最后利用该PSF对探测器投影数据进行串扰校正％由于该校正方法要求小孔或狭缝的尺寸与探测器像元的尺寸接近，对于像元M m尺寸的CCD辐射探测器，受小孔和窄缝的极高宽深比加工要求的限制，该方法不适用于M m像元CCD辐射探测器串扰校正％另一方面，探测器的PSF函数与X射线源的焦点尺寸、几何放大倍率等实验条件有很大关系％因此，用实验方法测定PSF进行探测器串扰校正，必然会带来不可忽略的误差％
本文理论分析高分辨率CCD辐射探测器串扰产生的物理机理，提出通过蒙特卡罗EGSnrc仿真结合Zemax光学仿真计算探测器系统像元串扰率函数(CTF)，再利用CTF反卷积算法对投影数据进行串扰校正，最后通过双丝型像质计进行探测器的调制传递函数(MTF)实验验证％
1探测器结构和原理
高分辨率CCD辐射探测器结构如图1a所示，其主要由闪烁体、光纤面板(FOP)、CCD图像传感器构成％图lb为X射线的探测过程「17皿，X射线入射到闪烁体上与闪烁体原子作用激发出可见光(荧光)， 荧光经FOP传输到CCD上被转化为电信号，最后电信号按照一定顺序被读出电路读出，并经AD转换后传输到计
a------结构示意图；b------工作原理示意图
图1高分辨率CCD探测器结构及工作原理示意图Fig.1Schematicdiagramsofstructureand workingprocessforhigh-reso%utionCCDdetector
第6期 周日峰等：高分辨率CCD 辐射探测器串扰校正
1107
算机进行图像显示。这种高分辨率辐射探测器 在生命科学、材料科学、石油地质等领域有广泛
的应用前景「1-21*。图 2 为 Hamamatsu C12849 高分辨率辐射探测器在CT 中的典型应用，射线
源为L9181-02，电压为40 kV，射线源焦点与被 探测物理表面的距离SOD=34. 4 mm，射线源焦 点与探测器表面的距离SDD=306.4 mm，几何
放大倍率M =8. 9%图2高分辨率辐射探测器对牙签的CT 图像
Fig 2 CTimageoftoothpick byhigh-resolutionradiationdetector
2理论与仿真
2.1串扰噪声
X 射线入射到探测器的闪烁体中，由于X
射线光子与闪烁体原子发生光电效应、康普顿效 应、瑞利散射等,X 射线光子偏离原来入射方向
即发生散射「1722*。这些散射X 射线产生的荧光
被相邻其他CCD 像元吸收，从而产生串扰信 号「17*，如图3所示％更重要的是，多数闪烁体受
激后发出的荧光在闪烁体内的传输是各向同性
的，荧光的周向扩散传播被相邻CCD 探测器像 元吸收而产生严重的荧光串扰信号。很容易理
解，闪烁体内部的散射X 射线和荧光漫散射产生
的串扰信号均随探测器像元尺寸减小而增加。因
此，对像元M m 尺寸的CCD 探测器，串扰是影响 其空间分辨率提高的主要原因，如图3b 所示％2.2 串扰校正方法
实验直接测量探测器像元之间的串扰量非
常困难「23皿，尤其对于像元M m 尺寸的CCD 辐
射探测器，目前最理想、最有效的方法是理论 计算和数值模拟仿真「25如。本文利用EGSnrc
蒙特卡罗仿真软件和光学仿真软件Zemax
OpticStudio 进行建模、理论计算和仿真，研究X
射线在闪烁体内能量的转化和荧光在闪烁体内 的吸收衰减和散射等物理过程，并利用理论仿
真计算的散射X 射线串扰分布函数和荧光漫 散射串扰分布函数对探测器的数据进行串扰校
正％串扰校正流程如图4所示，具体如下％
1) EGSnrc 仿真计算闪烁体各体素",j ,
T )的X 射线吸收剂量A ，即X 射线散射串扰函
数 +x(T ) " , $ :
A = +
x(T )
",j )
(1)
2) Zemax OpticStudio 仿真计算各闪烁体
体素发出的荧光经闪烁体自吸收衰减
和漫散射后被CCD 像元吸收的强度A ，即荧 光漫散射串扰函数+p () (m,n ):
A = f p (k) (m , n )
(2)
其中：(m , ”)为CCD 像元坐标；f p ()为闪烁体
第k 层体素％则探测器CTF 为：
H
CTF(m , n ) = ) (f x(k )( , j )"f _(k )(m , n )) 一
k = 1
H L —1 P —1
)()) f
x(k )
(,j )• f p (k) Cm — in — j )) (3)
k = 1 i =0 j
= 0
a ——X 射线在闪烁体内产生X 射线散射和荧光漫散射示意图；
b ——串扰信号对CCD 像元信号测量值影响示意图
图3高分辨率CCD 探测器串扰产生示意图
Fig 3 Schematic diagram of crosstalkgeneration of high-resolution CCD
detector
1108
原子能科学技术 第55卷
其中L.w 、H 分别为闪烁体长、宽、高方向的 体素数量。
图4探测器串扰校正流程图
Fig.4 Flowchartofdetectorcrosstalkcorrection
3)以CTF(m,n )作为校正串扰噪声的卷
积核，通过Lucy-Richardson 反卷积)8*运算对 探测器投影数据进行串扰校正％2.3理论与仿真
x射线探测器
1)X 射线散射串扰仿真
EGSnrc 是基于概率统计的蒙特卡罗方 法，能模拟前100号元素组成的单质、化合物、
混合物及各种形状物质中的电子和光子输运过 程％能量范围为lkeV 至几TeV，涉及的物理 过程包括光电效应、康普顿散射效应、电子对效
应及瑞利散射等)9「31* %仿真物理模型如图5所
示，X 射线能量为30 keV，束截面为10 M mX
10 y m，入射到GAGG 闪烁体上表面中间体素
位置处％仿真主要参数列于表1%
图5 EGSnrc 射线散射仿真模型
Fig.5 Simulation modelofEGSnrcraysca t ering
表1蒙特卡罗仿真主要参数
Table 1 Main setting parameter
for Monte Carlo simulation
参量数值GAGG 密度，g/cn?
6.63GAGG 总尺寸,M m 3
110X110X100
追迹粒子数1X108单体素尺寸，y m 3
10X10X10
射线束能量，keV 30
入射射线截面，y m 2
10X10
仿真结果如图6所示，图6a 为GAGG 闪 烁体中最上层11X11个体素的X 射线吸收剂
6 4 2
V 0.&「F 豐菁
20
……-第1层…第5层—
—第10层4
6 8 10
体素
° 2
图6 GAGGX 射线吸收剂量分布及体素串扰率
Fig.6
GAGGabsorbeddosedistributionandvoxelcrosstalkrate
第6期 周日峰等：高分辨率CCD 辐射探测器串扰校正
1109
量分布，图6b 为闪烁体第1、5、10体素层的中 心行1X11个体素串扰率归一化曲线%
2）荧光漫散射串扰仿真
Zemax OpticStudio 是一款使用光子追迹
方法模拟光束反射、折射、偏振等过程的光学设
计和仿真软件）32*
，本文采用该仿真软件模拟不 同波长的荧光在GAGG 闪烁体内的散射、吸收 和传输过程％
GAGG 闪烁体最上表面体素发出的荧光
在闪烁体内部的传输、漫散射如图7所示（图中
仅示意了被CCD 像元吸收的荧光）%荧光在闪
烁体内部传输扩散后，被CCD 像元吸收。CCD 像元荧光吸收分布与闪烁体发光体素的位置有
关％ GAGG 闪烁体受激后产生的荧光发光光 谱以及1 mm 厚度下的透过率曲线如图8所
示「6*
。为简化计算，忽略不同波长荧光在模型
中传播时的散％ CCD 对不同波长以及不同 入射角度的光子具有不同的响应特性，图9a 为
入射角度0。时的光谱响应曲线，图9b 为波长 为540 nm 时的角度响应曲线％
图7荧光在GAGG 闪烁体内部传输、散射示意图
Fig. 7 Schematic diagram of transmission and di f use sca t ering of f%uorescence in GAGG scinti %ator
光学仿真主要参数列于表2，将GAGG 闪 烁体的荧光发射光谱、透过率以及CCD 角度光
谱响应等参数导入到Zemax ，则可仿真计算荧
光在GAGG 闪烁体的传输、散射过程，以及
CCD 传感器对荧光吸收分布。先对GAGG 闪
a ——GAGG 闪烁体发射光谱；
b ——GAGG 闪烁体1 mm 透过率曲线
图8 GAGG 闪烁体发射光谱及透过率曲线
Fig. 8 Curves of GAGG emission spectrum and transmittance
图9 CCD 光谱响应及角度响应曲线
Fig.9
CurvesofCCDspec,ralresponseandangularresponse
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