圖.(A)多能X射線成像及智能物質(zhì)識(shí)別系統(tǒng)的工作原理圖;(B)該系統(tǒng)對(duì)雞爪的成像與生物組織識(shí)別結(jié)果。

近日，東南大學(xué)多維探測(cè)與智能識(shí)別團(tuán)隊(duì)在多能X射線成像與物質(zhì)智能識(shí)別方向研究取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“基于單極性鈣鈦礦探測(cè)器的多能X射線成像及智能物質(zhì)識(shí)別”(“Multi-energy X-ray imaging enabled by unipolar perovskite detector for intelligent substance identification”)為題，發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。該研究基于自研單極性鈣鈦礦X射線探測(cè)面板，提出了一種無需單光子計(jì)數(shù)、依靠“電壓編碼能量”的多能成像新方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)未知物質(zhì)的自動(dòng)識(shí)別與偽彩上色。

該研究通過構(gòu)筑單極性n–i–n鈣鈦礦X射線探測(cè)器，使該器件對(duì)電子的選擇性收集遠(yuǎn)強(qiáng)于空穴，并利用外加電壓調(diào)控內(nèi)部電場(chǎng)與漂移長度，將連續(xù)譜X射線“分解”為多個(gè)能量通道;再結(jié)合多電壓下的光電流解耦算法，使該器件在普通X射線源條件下即可獲得多能圖像，從而具備高通量、高靈敏度與良好空間分辨率。

該研究通過構(gòu)筑單極性n–i–n鈣鈦礦X射線探測(cè)器，使該器件對(duì)電子的選擇性收集能力遠(yuǎn)強(qiáng)于對(duì)空穴的收集能力;并利用外加電壓調(diào)控內(nèi)部電場(chǎng)與漂移長度，將連續(xù)譜X射線“分解”為多個(gè)能量通道;再結(jié)合多電壓下的光電流解耦算法，使該器件在普通X射線源條件下即可獲得多能圖像，從而具備高通量、高靈敏度與良好空間分辨率的優(yōu)異性能。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了面向?qū)嶋H應(yīng)用的“多能材料庫”和智能識(shí)別流程：首先利用不同能量通道的吸收信息，對(duì)每個(gè)像素的線衰減系數(shù)進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)建由若干σ(Ei)/σ(Ej) 組成的“能量指紋”，弱化樣品厚度和劑量波動(dòng)的影響;隨后針對(duì)常見金屬、聚合物以及生物組織等材料，采集標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)其能量指紋分布，形成可視化的材料數(shù)據(jù)庫。成像時(shí)，系統(tǒng)將未知像素的能量指紋與材料庫逐一比對(duì)，并結(jié)合距離度量和機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法，實(shí)現(xiàn)逐像素自動(dòng)判別與偽彩上色，使得在復(fù)雜疊層和厚度變化條件下，不同材料仍能在X射線圖像中“各顯其色、一目了然”。

本論文第一作者為東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院李雨巍博士生，東南大學(xué)徐曉寶教授、雷威教授以及瑞典林雪平大學(xué)高峰教授為共同通訊作者。本研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

審核編輯 黃宇