End-to-end design of multicolor scintillators for enhanced energy resolution in X-ray imaging

闪烁体 物理 探测器 光学 能量(信号处理) 成像体模 蒙特卡罗方法 吸收(声学) 医学物理学 医学影像学 计算机科学 人工智能 量子力学 统计 数学
作者
Seokhwan Min,Seou Choi,Simo Pajovic,Sachin Vaidya,Nicholas Rivera,Shanhui Fan,Marin Soljačić,Charles Roques‐Carmes
出处
期刊:Light-Science & Applications [Springer Nature]
卷期号:14 (1): 158-158 被引量:12
标识
DOI:10.1038/s41377-025-01836-8
摘要

Scintillators have been widely used in X-ray imaging due to their ability to convert high-energy radiation into visible light, making them essential for applications such as medical imaging and high-energy physics. Recent advances in the artificial structuring of scintillators offer new opportunities for improving the energy resolution of scintillator-based X-ray detectors. Here, we present a three-bin energy-resolved X-ray imaging framework based on a three-layer multicolor scintillator used in conjunction with a physics-aware image postprocessing algorithm. The multicolor scintillator is able to preserve X-ray energy information through the combination of emission wavelength multiplexing and energy-dependent isolation of X-ray absorption in specific layers. The dominant emission color and the radius of the spot measured by the detector are used to infer the incident X-ray energy based on prior knowledge of the energy-dependent absorption profiles of the scintillator stack. Through ab initio Monte Carlo simulations, we show that our approach can achieve an energy reconstruction accuracy of 49.7%, which is only 2% below the maximum accuracy achievable with realistic scintillators. We apply our framework to medical phantom imaging simulations where we demonstrate that it can effectively differentiate iodine and gadolinium-based contrast agents from bone, muscle, and soft tissue.
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