光子计数探测器CT脂肪定量准确性和稳定性的体模研究

目的 旨在探讨光子计数探测器(PCD)-CT在不同扫描方案下进行脂肪定量的准确性及辐射剂量水平。方法 构建11个不同脂肪浓度的体模[真实脂肪分数(FF)为0%、2.5%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%和100%]。采用3种扫描模式(横断面扫描、常规螺旋扫描和大螺距螺旋扫描)、4种管电压[90、120、140和锡过滤(Sn)100 kV]和3种水平的影像质量(IQ,20、40和80)的参数组合方式完成36种扫描方案的PCD-CT扫描。记录每种扫描方案重建影像的CT剂量指数(CTDIvol)。以120 kV-IQ80的常规螺旋扫描方案作为参考,将所有方案扫描获得的CT值通过线性回归方程转换为FF值。采用组内相关系数(ICC)和Bland-Altman分析进行准确性和一致性评估,使用单向重复测量方差分析对PCD-CT衍生的FF进行比较分析。结果 PCD-CT在所有扫描方案下获得的FF的一致性和准确性结果优异[ICC>0.9(范围:0.929~0.998,P<0.017)]。通过PCD-CT获得的FF与真实FF值之间的均方根误差(RMSE)范围为1.0%~5.0%,其中120 kV-IQ20大螺距扫描的RMSE值最低(1.0%)。120 kV-IQ20和120kV-IQ80常规螺旋扫描偏倚值最低(平均值分别为1.19%和1.23%)。36种扫描方案的辐射剂量范围为0.09~1.45m Gy。结论 PCD-CT在多种扫描方案下进行脂肪定量均具有较高的准确性。此外,PCD-CT具有在超低辐射剂量下进行准确脂肪定量的潜力。

感应读出延时线阳极光子计数探测器研究

针对空间天文、生物荧光、光谱测量等领域对高灵敏、大面阵探测器的应用需求,研制出基于感应读出方式的延迟线阳极光子计数成像探测器。该探测器由微通道板、延时线阳极以及读出电路组成,其中延时线阳极的性能直接影响探测器的成像质量。作为一种电荷感应读出延时线阳极,该阳极利用信号到达的时间差解码入射光子的位置,可获得高的探测灵敏度和大的成像面积,同时简化了工艺难度并提升了可靠性。设计了感应读出延时线阳极,理论分析了探测器不同设计参数及材料对感应电荷量的影响,提出了解决异层电极间感应电荷量难以平衡的方法。据此研制出了收集面积为40 mm×40 mm的位敏阳极。测试结果表明该阳极信号传输衰减小于10%,极间串扰小于3%。利用该阳极进行了光子计数成像实验,获得了优于150μm的空间分辨率,为研制可应用于天文紫外光谱测量的大面阵、高灵敏探测器提供了理论依据及实验指导。

非电离室型探测器在深度剂量扫描中的应用研究

为研究非电离室型探测器在深度剂量分布扫描中的响应特性,通过采用平板电离室、半导体和宝石探测器对医用光子束和电子束深度剂量分布进行扫描,并以平板电离室作为参考,分析比较半导体和宝石探测器在最大剂量深度、射线质等参数来探究其在深度剂量上的性能。结果表明:医用光子束下除两支探测器外,其余探测器获得的射线质与参考值的最大相对偏差为-0.67%,符合TRS-398报告高能光子束允许的不确定度1.0%,电子束<10 MeV时,各能量下非电离室型探测器获得的射线质与参考值的平均相对偏差最小为1.91%,能量≥10 MeV时,平均相对偏差最大为1.01%,除两支探测器外,其余探测器的相对偏差最大为-1.15%,符合TRS-398报告高能电子束允许的不确定度1.2%。P型半导体探测器获得的射线质与参考值的相对偏差在±0.85%内,比E型半导体探测器的相对偏差范围±0.67%大。结论:非电离室型探测器在高能光子束下影响较小,电子束<10 MeV时影响较大,能量≥10 MeV时影响较小,且尽量选择E型半导体探测器,并考虑探测器外壳材质。

光子计数探测器技术应用进展

光子计数探测器(PCD)是一种用于检测X射线光子的装置,能够将光子能量直接转化为电信号,从而实现对光子的计数和测量。基于PCD的能谱CT技术(PCD-CT)可以提供额外的能谱成像信息,改善成像质量,同时降低辐射剂量。相较于能量积分探测器(EID),PCD具有能量转换效率高、成像质量好、结构设计精巧、应用范围广等优势,在超低剂量CT、特定病症检验及工业检测中具有广阔的应用前景。综述PCD-CT在能谱CT成像中的应用,为其在临床医疗诊断与工业应用提供有益参考。

不同管电压对超高分辨光子计数探测器CT评估冠状动脉支架的影响:一项体模研究

目的 探讨不同管电压对超高分辨光子计数探测器CT(PCD-CT)评估冠状动脉支架的影响。方法 选取6枚直径约3 mm的不同材质的冠状动脉支架,置入人造模拟冠状动脉血管内,分别采用140 kV和120 kV管电压以相对于扫描设备z轴0°和90°方向对支架行超高分辨PCD-CT扫描。通过不同的扫描和重建参数组合完成144组影像数据的采集。对全部影像进行主观评分及客观影像质量评价。客观影像评价包括支架腔内衰减增加比率(SAIR)、支架的边缘上升距离(ERD)和支架内径。采用Cohen’s Kappa检验评估影像质量主观评分的观察者间一致性。采用配对t检验或Wilcoxon检验比较2种管电压下0°和90°方向支架的影像质量指标。采用多因素广义线性混合效应模型分析高管电压(140 kV)对冠状动脉支架影像定性定量评估的影响。结果 对于0°方向支架,120 kV和140 kV管电压下扫描获得的冠状动脉支架影像的影像质量主观评分、SAIR值、ERD值及支架内径差异均无统计学意义(均P>0.05)。对于90°方向支架,140 kV相比120 kV管电压下的支架影像具有更高的SAIR值、更低的ERD值及更大的支架内径(均P<0.05)。对于0°和90°方向支架,140 kV均可增加SAIR值(均P<0.05);而对于90°方向支架,140 kV还能提高支架内直径测量值,减小ERD值(均P<0.05)。结论 140 kV相较120 kV管电压可降低超高分辨PCD-CT上的冠状动脉支架硬化线束伪影。当冠状动脉支架相对于z轴的角度增加,高管电压可进一步增加支架锐利度及支架内径。但高管电压可增加辐射剂量,临床应用中仍需综合评估。

基于运算放大器的超导纳米线单光子探测器低温直流耦合读出电路

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具有高计数率、高探测效率和低暗计数等优点,在光量子通信、光量子计算、激光测距与成像等领域发挥着重要作用.SNSPD的最大计数率(探测速度)会受前级读出电路的影响,为了提升最大计数率,通常需要使用一个宽带宽的低温直流耦合读出电路.本文报道了基于商用高速运算放大芯片OPA855搭建的SNSPD低温直流耦合放大读出电路,系统表征了该电路从室温300 K到低温4.2 K下的性能参数.通过提升OPA855的工作电压,解决了电路在低温下带宽损失的问题.进一步,将OPA855放大电路安装在40 K温区,使用其实现了SNSPD探测性能的实验评估.相对于常规室温交流耦合电路,SNSPD的最大计数率约提升了1.3倍.本研究可为OPA855芯片在高速SNSPD等低温领域提供相关参考信息.

基于双光子吸收的宽谱光源关联特性测量方法

以“鬼成像”为代表的关联成像具有新颖的物理现象和潜在的应用价值,已经吸引了众多学者的研究兴趣,其中光源关联特性的测量显得格外重要。然而,热光光源(太阳光、钨丝灯光)的相干时间太短,以至于无法采用现有探测器直接测量,阻碍了被动关联成像技术的发展。对此,基于虚能级极短寿命的超快时间分辨能力的双光子吸收过程,提出使用光子计数型光电倍增管探测器,采用迈克尔逊干涉仪对谱宽为150 nm的超连续激光的关联特性进行测量,测得的相干时间为60 fs、峰背比为2.6∶1,与理论预测一致,此外,与自发辐射光源(峰背比4∶1)和脉冲光(峰背比8∶1)的二阶关联函数相比,超连续激光的关联函数的峰背比展示出了不同的结果(峰背比2.6∶1),基于双光子吸收过程测量光源关联特性的方法给识别不同种类的光源提供了一种新的途径。该方法的实验装置更加简单紧凑,为直接使用太阳光进行“鬼成像”提供了一种新思路。

InGaAs/InP高速正弦门控单光子探测器后脉冲抑制方案

基于量子力学基本原理的量子密钥分发(QKD)系统具有信息论安全的水平,单光子探测器是QKD系统的重要组成,其后脉冲对QKD系统的安全成码率和安全成码距离均有重要影响。文中根据InGaAs/InP高速正弦门控探测器的后脉冲概率随时间呈现指数递减分布的规律,提出了一种基于时间测量的后脉冲抑制方案,采用“Start-Stop型”时间间隔测量方式对探测脉冲进行测量,通过对探测事件进行时间标记并舍弃一段时长内探测脉冲的方法降低了后脉冲概率。实际验证了某型号单光子探测器的后脉冲概率随舍弃时长的关系,在500 ns舍弃时长条件下,后脉冲概率2.46%,增加舍弃时长至5μs可降低后脉冲至2%以下。同时,分析了100 ns舍弃时长条件下的典型探测脉冲计数分布,指出了主要后脉冲分布区域以及未过甄别阈值的雪崩脉冲引起的后脉冲机理。进一步地,指出基于时间测量方式区分探测脉冲的到达时间不仅可用于降低单光子探测的后脉冲概率,还可以根据探测脉冲的到达时间识别雪崩过渡区攻击事件、门外攻击事件,从而丢弃被攻击区域的探测脉冲来提升QKD系统抗量子黑客攻击的能力,可支撑高速正弦门控单光子探测器应用于实用化的QKD系统。

基于自研ASIC芯片HEPS中硅微条探测器读出电子学原型系统设计与测试

时间分辨X射线粉末衍射技术是探测物质晶体结构及其演变的重要手段。单光子计数型硅微条探测器因其灵敏度高和死时间低,在高能同步辐射光源(HEPS)的X射线粉末衍射实验中发挥着重要作用。研制适用于单光子计数型一维硅微条探测器的专用ASIC读出芯片(SSDROC)及其读出电子学系统,并采用一种新标定方法解决了SSDROC各通道对同一输入输出响应不一致的问题,该方法可显著提高各通道数据一致性并减小衍射实验数据的统计误差。探测器完成各项性能测试,结果表明整体系统线性优秀、能量分辨能力强、噪声低以及计数率高,为将来大覆盖角度一维硅微条探测器系统研制奠定坚实基础。

数字混沌激光雷达

混沌激光雷达具有分辨率高、抗干扰和隐蔽性强的优点,然而受限于混沌光源的功率、线性探测器的灵敏度以及硬件带宽,其在远距离探测方面存在瓶颈。为解决这一问题,该文提出了数字混沌激光雷达(digital chaos LiDAR)的概念,并进行了理论分析与仿真验证。通过蒙特卡洛(Monte Carlo)仿真,该文研究了连续混沌激光雷达(continuous-wave chaos LiDAR)、脉冲混沌激光雷达(pulsed chaos LiDAR)与数字混沌激光雷达的探测概率、虚警概率与探测距离。仿真结果表明,在探测概率大于95%,虚警概率小于5%的置信区间内,数字混沌激光雷达的探测距离相比连续混沌激光雷达与脉冲混沌激光雷达分别提高了约35倍与8倍。得益于单光子探测器的超高灵敏度与数字化输出,数字混沌激光雷达有望在远距离目标探测成像方面获得广泛应用。

光子计数探测器CT低剂量胸部扫描评估冠状动脉钙化积分的可行性研究

目的 评估光子计数探测器CT(PCD-CT)胸部低剂量CT(LD-CT)对冠状动脉钙化的检测、定量和危险分层的可行性。方法 回顾性收集采用PCD-CT同时行心电门控CT(ECG-CT)和LD-CT扫描的冠状动脉钙化病人63例(共189支血管),其中高心率组(心率>75次/min)29例、低心率组(心率≤75次/min)34例。ECG-CT采用前瞻性心电门控120 kVp扫描,LD-CT采用非心电门控大螺距联合锡滤过100 kVp(Sn100 kVp)扫描。冠状动脉钙化定量采用Agatston评分(AS)。以ECG-CT为参考标准,基于病人和血管水平、心率亚组计算LD-CT检测冠状动脉钙化的敏感度、特异度和准确度;并采用Spearman相关系数(r)和Bland-Altman方法(偏倚:95%一致性下限/上限值)分析LD-CT和ECG-CT评估AS的相关性和一致性。采用加权Kappa方法分析冠状动脉钙化风险分层的一致性。采用配对t检验比较LD-CT和ECG-CT的有效辐射剂量。结果 ECG-CT在63例病人和130支血管中检测出冠状动脉钙化。以病人为单位,LD-CT对冠状动脉钙化检测准确度100%,LD-CT和ECG-CT获得的AS评分相关性极强(r=0.95~0.99,均P<0.05),一致性较好(-9.7:-125/105.7);以血管为单位,前降支(LAD)的AS偏倚(0.1:-102.8/102.9)小于左回旋支(LCX)(-11.5:-86.9/63.9)和右冠状动脉(RCA)(-8.1:-81.2/65.1);低心率组的AS偏倚(-3.3:-73.4/66.5)小于高心率组(-18.3:-175.3/138.6)。LD-CT和ECG-CT基于AS的危险分层一致性强(kappa=0.963)。LD-CT的有效辐射剂量(0.48±0.9 mSv)比ECG-CT(0.77±0.16 mSv)降低了37%(P<0.001)。结论 基于PCD-CT胸部LD-CT扫描不仅对冠状动脉钙化检测、定量和风险分层具有较好的准确性,而且可以降低有效辐射剂量。

光子计数CT冠状动脉血管成像的应用与展望

冠状动脉CT血管成像(CCTA)是目前临床指南推荐的稳定性胸痛病人的一线检查方法,而最近投入临床应用的具有超高分辨力的光子计数CT(PCD-CT)相比传统CT有更高的空间分辨力、更低的电离辐射等优势,在冠状动脉疾病(CAD)的评估中已呈现很好的应用前景。就PCD-CT的技术特点及在CCTA的临床应用和进展进行评述。

超高分辨率冠状动脉CT血管造影的可行性和图像表征研究

目的评估CT(CT)在高冠状动脉钙负荷患者的超高分辨率冠状动脉计算机断层血管造影(CCTA)的可行性和质量。方法纳入20例患者接受PCDCCTA,使用离散视觉量表评估图像噪声和冠状动脉斑块和邻近血管腔,表征图像噪声纹理。结果CCTA在所有患者中都是可行的。在Bv40核和0.6 mm层厚重建的患者中,虚化伪影最大(55.2%±9.8%),血管锐度最低(477.1±73.6ΔHU/mm),信噪比最高(27.4±5.6),CNR最高(32.9±6.6),噪声最低(17.1±2.2 HU)。考虑到薄片厚度为0.2mm的重建,图像噪声、信噪比、CNR、血管清晰度和虚化伪影在不同核之间存在显著差异(P<0.001)。随着内核清晰度的提高,信噪比和CNR不断降低,图像噪声和血管清晰度增加,其中Bv89内核的清晰度最高(2383.4±787.1ΔHU/mm)。结论超高分辨率CCTA结合CT是可行的,可以实现钙化冠状动脉的可视化,图像质量好,清晰度高。

光子计数探测器CT纯净钙化算法评估冠状动脉钙化积分的最优重建参数研究

目的 基于光子计数探测器CT(PCD-CT)纯净钙化(PureCalcium)虚拟非碘算法在不同的层厚、keV和量子迭代重建(QIR)参数下测得冠状动脉钙化积分(CACS),评估其定量的准确性并探讨最优的重建参数。方法前瞻性纳入行PCD-CT CCTA检查的病人64例。以常规真实平扫(TNC)影像获得的CACS_(TNC)为参考标准,采用不同参数[层厚(3 mm、1.5 mm),keV(55~75)和QIR(1、4)]重建得到_(PureCalcium)影像并计算CACS_(PureCalcium)。使用Wilcoxon符号秩检验比较CACS_(PureCalcium)与CACS_(TNC),采用Spearman相关系数、组内相关系数(ICC)和Bland-Altman检验对CACS_(PureCalcium)与CACS_(TNC)进行相关性分析和一致性检验。结果 采用层厚3 mm,55/60/65 keV+QIR 1/4、70 keV+QIR 1以及采用层厚1.5 mm,55 keV+QIR 1/4和60 keV+QIR 1获得的CACS_(PureCalcium)与CACS_(TNC)相比,差异均无统计学意义(均P>0.05)。以不同的层厚、keV和QIR强度获得的CACS_(PureCalcium)与CACS_(TNC)均呈正相关(r:0.94~0.98,均P<0.05)。采用层厚1.5 mm+55 keV+QIR 1得出的CACS_(PureCalcium)和CACS_(TNC)的偏倚最小(偏倚:4.28,95%一致性上限/下限:167.29/-158.72)。结论 不同的层厚、keV、QIR对CACS的结果均有显著影响,层厚1.5 mm+55 keV+QIR 1参数重建下的CACS_(PureCalcium)更接近CACS_(TNC)。

基于超导单光子探测器的红外光学系统噪声分析和优化

高灵敏度的红外探测系统对于远距离探测有巨大的潜力,但光学系统内部的噪声会抑制探测系统的信噪比,从而降低探测灵敏度与探测距离.本文基于红外超导纳米线单光子探测器,设计了一个工作在中红外波段的光学系统,构建了红外光学系统自发辐射计算模型,理论分析了红外光学系统的信噪比和噪声特性.首次提出了利用高性能超导单光子探测器精确表征红外光学系统的微弱背景辐射光信号,为优化设计红外系统提供了依据.并且基于超导单光子探测器的光子计数能力,研究了光学系统的背景辐射对红外探测系统性能的影响,并优化了光学系统的性能.实验结果表明,超导单光子探测器对于分析红外光学系统具有较高的灵敏度,最小可分辨移动距离为2.74×10^(-2)mm,在黑体温度为100℃时,光子计数率提高了6.4×10^(4)cps(1 cps=1 cycle per second),光学系统的耦合效率提升了97%;在黑体温度为102℃时,光子计数率提高了9.1×10^(4)cps,光学系统的耦合效率提升了114%,降低了杂散辐射对探测系统的影响,同等条件下系统信噪比提升2.7倍,对于超导红外探测系统的应用研究具有重要意义.

用于量子密钥分发系统的单光子探测器控制软件

单光子探测器是量子密钥分发系统的核心组成部分,其性能和安全性对QKD系统有着重要影响。为实现对量子密钥系统中单光子探测器的标定和监控,本文基于C++/Qt技术设计了一种单光子探测器控制软件系统,实现了对单光子探测器的测量控制、数据存储分析、数据可视化显示等功能。该软件基于模块化、层次化思想,设计了易于扩展的系统架构,具备交互友好的图形用户界面,兼容千兆以太网口、RS232串口的通信接口,可满足不同应用场景下数据传输的需求。所设计的控制软件具备单光子探测器控制、性能标定、状态监测、异常告警、攻击事件检测预警等功能,可大大提高单光子探测产品性能标定、状态检测、安全防护的工作效率,保障探测器产品的安全稳定运行,从而保障QKD系统的安全性。

源于宇宙弦的引力波暴及其电磁共振效应

引力波为宇宙学模型的检验提供了新方法,宇宙弦环震荡会激发较强的尖端引力辐射,甚高频波段的引力波可以通过电磁共振效应来探测.文章基于修正的宇宙弦模型,以p和?为自由参数,主要研究了宇宙弦环震荡产生的甚高频引力波特性h,以及在电磁共振方案中产生的物理效应.通过数值计算保守估计引力波暴的量纲为1的振幅强度可以达到10^(-28)~10^(-25).在电磁共振效应下产生的信号光子流强度N_(x)^(1)达到10^(4)~10^(8)s^(-1),信噪比强度S为10^(-20)~10^(-14).与其它类型的此频段引力波相比较,此类引力波更可能在未来被探测器探测到.

单光子探测技术

近年来,以量子密钥分配为代表的各种量子信息技术应用获得了飞速发展,这些应用对单光子探测器的性能提出了非常苛刻的要求,以光电倍增管和雪崩光电二极管为代表的传统单光子探测器件已经无法满足需求。在此背景下,出现了以超导单光子探测器为代表的新型低温单光子探测器件,其性能比现有商用单光子探测器有了本质性的提升。本文综述了迄今为止各种类型的单光子探测器,并指出各自在量子信息技术应用中的优势和不足之处以及发展方向。

红外光电探测器的前沿热点与变革趋势

红外光电探测技术通常工作在无源被动的传感模式,具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、全天时工作等优点,在航天遥感、军事装备、天文探测等方面都有广泛应用。至今,二代、三代红外光电探测器已大规模进入装备,高端三代也在逐步推进实用化,并出现了前沿前瞻性的新概念、新技术、新器件。本文聚焦国内外的红外技术研究现状,重点介绍红外光电探测器当前的研究热点与未来的发展趋势。首先,介绍针对战术泛在化、战略高性能的SWaP^(3)概念。其次,综述以超高空间分辨率、超高能量分辨率、超高时间分辨率、超高光谱分辨率为特征的高端三代红外光电探测器,分析挑战光强探测能力极限的红外探测器的技术特征与实现方法。然后,论述基于人工微结构的四代红外光电探测器,重点介绍偏振、光谱、相位等多维信息融合的实现途径与技术挑战。最后,从片上数字化升级为片上智能化的角度,探讨未来极具变革性趋势的红外探测器。

光子计数激光测距技术研究

光子计数激光雷达采用了灵敏度极高的单光子探测器,能够将激光雷达系统的灵敏度提高2—3个数量级,具有极大的发展潜力和技术优势。介绍和分析了光子计数激光测距技术的基本原理和优点。设计了光子计数激光雷达实验系统,采用盖革模式的雪崩二极管(Geiger-mode APD),开展了测距验证实验。实验结果表明,采用光子计数激光测距能够在单光子灵敏度和强噪声背景条件下,获取目标的距离信息,距离测量精度达到6.23 cm。