X-ray Imaging with a Single-Pixel Detector

Abstract

X-ray imaging is an invaluable tool for noninvasive analysis in many fields ranging from basic science to medicine and security. The development of low-dose large area imaging solutions still represents an important challenge for various applications. One solution to the imaging of large areas lies in the development of novel computational imaging systems that can overcome the limitations imposed by hardware, relying instead on numerical processing power. The single-pixel detector, depending on the application, may offer a competitive edge over conventional cameras (being a cheaper alternative to the multi-pixelated solutions). In addition, the single-pixel detector can be used to achieve improved geometry detection acceptance, faster timing response, and good spatial resolution with low radiation dose. These features make single-pixel detectors an interesting solution for applications where the detected intensities are very weak due to scattering or absorption losses, for example medical imaging or long-range 3D imaging. Finally, the single-pixel detectors combined with compressive sensing can significantly reduce the data storage and data transfer requirements, an important consideration for remote sensing applications or when the problem is high dimensional such as hyperspectral imaging. A single-pixel camera is a technology that produces images by interrogating a scene with a series of spatially resolved patterns while measuring the correlated intensity on a detector without spatial resolution. Fundamentally, it performs a type of polymorphic scanning to sense intensity information from many places at once. The potential of this approach is the ability to recover a multi-pixel image faster than the traditional scan-based methods, and further benefits from the commercially available technology. In this work, we explore the application of Single-Pixel Imaging (SPI) techniques to produce two-dimensional images, using a detector with one pixel only. On a first stage, simulation tools wereused to define the appropriate material and thickness for the masks, by calculating thetransmission of different cases. Regarding this step and the cost and amount of materialto use, 5mm PLA masks were printed. On a second stage, the entire system was simulated with sources with different energy distributions and different mask thicknesses. Afterwards, an experimental system with a triple cascade of GEM plates with an active area of 10x10cm^2 was assembled. The setup, based on the application of Hadamard patterns, showed promising results, proving the ability of the system to acquire 4x4 pixel images using PLA masking. Both simulation, using GEANT4, and experimental setup, used in this work to demonstrate this technique will be reported here along with the first results combining X-ray SPI , with fast-prototyping masks and a gaseous detector.

A imagiologia de raios-X é uma ferramenta inestimável para análises não invasivas em diversas áreas de investigação, desde a ciência básica até à medicina e segurança. O desenvolvimento de soluções de imagiologia para grandes áreas com doses reduzidas de radiação ainda representa um desafio importante em várias aplicações. Uma solução para tal foca-se na criação de novos sistemas de imagiologia computacional que possam superar as limitações impostas pelo hardware, dependendo em vez disso do poder de processamento computacional. Um detector de pixel único, dependendo da aplicação, pode oferecer uma vantagem competitiva sobre as câmaras convencionais (sendo uma alternativa mais barata às soluções multipixeladas). Além disso, o detector de pixel único pode ser usado para alcançar uma melhor aceitação geométrica de deteção, um tempo de aquisição mais curto e boa resolução espacial com uma dose reduzida de radiação. Essas características tornam os detectores de pixel único uma solução intrigante para aplicações em que as intensidades detectadas são muito fracas devido a perdas por dispersão ou absorção, como em imagens médicas ou imagens 3D de longo alcance. Por fim, os detectores de pixel único juntamente com compressive sensing podem reduzir significativamente os requisitos de armazenamento e transferência de dados, uma consideração importante para aplicações de deteção remota ou, nos casos em que o problema é de multi-dimensionalidade, como em imagiologia hiperespectral. Uma câmara de pixel único é uma tecnologia que produz imagens ao irradiar uma cena com uma série de padrões, enquanto determina a intensidade correlacionada com um detector sem resolução espacial. Essencialmente, esta câmara realiza um tipo de scanning polimórfico para captar informações da intensidade de vários pontos simultaneamente. O potencial deste método está na capacidade de recuperar uma imagem multipixel com um tempo de aquisição menor do que os métodos tradicionais baseados em scanning e ainda beneficia da tecnologia comercialmente disponível. Neste trabalho, exploramos a aplicação da técnica de imagiologia com um detetor de pixel único para produzir imagens bidimensionais, usando um detector com apenas um píxel. Numa primeira fase, foram utilizadas ferramentas de simulação para definir o material adequado e a espessura das máscaras, calculando a transmissão para diferentes casos. Tendo em consideração esta etapa e o custo/quantidade de material a ser usado, máscaras de PLA com 5mm foram impressas numa impressora 3D. Numa segunda fase, todo o sistema foi simulado com fontes com diferentes distribuições de energia e diferentes espessuras de máscara. Posteriormente, um sistema experimental com um detetor constituído por uma área ativa de 10x10cm^2 e uma região de amplificação com recurso a 3 GEMs foi desenvolvido. O setup, baseado na aplicação de padrões de Hadamard, apresentou resultados promissores, comprovando a capacidade do sistema de adquirir imagens de 4x4 píxeis usando máscaras de PLA. Tanto as simulações, utilizando o GEANT4, quanto o setup experimental, utilizados neste trabalho para demonstrar esta técnica, serão relatados aqui, bem como os primeiros resultados aplicando imagiologia de detetores de píxel único a raios-X, desenvolvido recorrendo a técnicas de prototipagem rápida e um detector gasoso.