2025年1月22日，韩国延世大学Jong-Hyun Ahn教授和香港理工大学柴扬教授合作成果“A flexible active-matrix X-ray detector with a backplane based on two-dimensional materials”发表在国际顶级期刊Nature Electronics上。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01317-7
文章亮点：
1. 柔性设计与二维材料结合
探测器采用基于二维二硫化钼（MoS₂）晶体管和石墨烯/MoS₂光电探测器的背板，实现了柔性特性，同时兼顾了优异的电学和光学性能。
2. 高性能指标
在3 cm × 3 cm的背板上集成了3600像素，展现了高达17.31 cm² V⁻¹ s⁻¹的电子迁移率和9.37 A W⁻¹的光响应率，特别适合于闪烁体的发射波长（544 nm）。
3. 生成对抗网络（GAN）优化图像质量
通过GAN后处理技术，有效抑制了设备的固有噪声，从而在低X光剂量下仍可获得高质量成像，为医疗诊断和工业检测提供更安全、清晰的解决方案。
4. 低辐射成像优势
探测器在低于传统诊断要求的X光曝光量下，仍然能保证高质量的图像输出，为减少辐射剂量奠定了基础。
摘要
传统的平板X光探测器在成像非平面几何形状时容易出现图像失真和不均匀性。柔性X光探测器可以贴合非平面目标表面，从而减少图像失真。然而，要制造同时具备必要机械柔性和优异载流子迁移率及光响应性能的薄膜晶体管和光电探测器背板是一项挑战。在此，我们报告了一种基于二维二硫化钼（MoS₂）晶体管和石墨烯/MoS₂光电探测器背板的柔性主动矩阵X光探测器。背板覆盖3 cm × 3 cm的大面积，共包含3600个像素，在闪烁体发射波长（544 nm）附近表现出17.31 cm² V⁻¹ s⁻¹的高电子迁移率和9.37 A W⁻¹的光响应率。我们采用基于生成对抗网络（GAN）的后处理技术抑制设备固有噪声，并证明该方法在低于医疗诊断和工业检测通常所需X光曝光量的情况下，仍可提供高质量图像。
研究背景和主要内容
灵活灵敏的 X 射线探测器对于一系列放射线照相应用至关重要，包括三维 (3D) 图像重建、疾病诊断和无损检测。这种探测器可以通过拟合目标表面的曲率准确捕获非平面物体的特征，有效抑制由于物体和图像传感器阵列之间的几何不匹配而导致的图像失真和不均匀性。通过将探测器与物体的几何结构相匹配，灵活的 X 射线图像传感器无需复杂的光学元件和大量的后处理 。此外，高灵敏度的图像传感器阵列可以在低剂量（< 1,000 μGy） X射线曝光下捕获目标物体的详细信息，这对于减少对患者的潜在危害至关重要 。
传统的 X 射线探测器通常安装在刚性玻璃基板上，基于有源矩阵背板，该背板由开关晶体管和光电探测器组成，具有高载流子迁移率（>10 cm2 V−1 s −1）和高光响应度（>0.1 A W−1 ）。 柔性X 射线探测器要求将背板集成在柔性基板上，例如聚合物。但是，当使用传统的刚性半导体（例如硅和氧化物）时，实现这一点是一项挑战。特别是，这些材料固有的刚性和有限的光学性能妨碍了 X 射线探测器的机械柔性和灵敏度。此外，当沟道材料变薄时，它们的载流子迁移率和光响应度会急剧下降，而这正是机械柔性的必要条件。相比之下，二维 (2D) 半导体二硫化钼 (MoS2 ) 具有出色的载流子迁移率、强光与物质相互作用和机械柔韧性（补充表1 ）。此外， 2D材料的范德华( vdW) 特性为实现各种 2D材料的异质集成提供了有利途径，为高性能柔性电子器件提供了途径。
在本文中，我们报道了一种柔性 X 射线探测器，它由 MoS2薄膜晶体管 (TFT) 和石墨烯/MoS2光电探测器组成，在 3 cm × 3 cm 的面积上具有 3,600 个像素。石墨烯/MoS2光电探测器在 544 nm 的氧化硫化钆 (Gd2O2S) 闪烁体发射光附近表现出高光响应度，超过了典型的硅基光电探测器，并提供了清晰的图像采集，在低剂量 (57 μGy) X 射线曝光下具有 3.49 × 105 μC Gy−1cm−2的高灵敏度。此外，我们的柔性 X 射线探测器可以克服传统 X 射线探测器的局限性，通过符合非平面目标的曲率来生成具有增强均匀性和最小失真的图像。我们还表明，即使在低剂量 X 射线曝光下，基于生成对抗网络 (GAN) 的后处理也可用于获取高信噪比 (SNR) 图像。
柔性X射线探测器的实现
商用 X 射线探测器通常由厚玻璃基板上的将 X 射线转换为可见光的前端闪烁体薄膜和包括 TFT 和光电探测器在内的刚性半导体背板电路组成。然而，厚玻璃基板和背板组件的机械刚性阻碍了柔性 X 射线探测器的开发。作为替代方案，在薄聚合物基板上制造的基于 2D 材料的背板可以在数字 X 射线探测器中实现良好的机械柔性，使其能够适应非平面物体。本研究开发的柔性 X 射线探测器由大面积、有源矩阵型基于 2D 材料的背板和闪烁体薄膜组成（图1a）。背板设计为 MoS2 TFT和石墨烯/MoS2光电探测器的 1T-1R 配置，以在闪烁体发出的可见光曝光下产生电流（图1b）。为了将 X 射线辐射转换为可见光（峰值 544 nm），在柔性背板电路顶部集成了柔性 Gd2O2S 闪烁体薄膜（厚 300 μm）（图1c ）。我们采用双层 MoS2作为TFT 和光电探测器的通道材料，以确保电气和光学性能。光电探测器阵列采用由MoS2沟道和光学透明石墨烯叉指电极组成的光敏电阻构建（图1d）。这种设计可以有效地吸收大面积的光子，即使在弱 X 射线条件下也能保证高对比度的图像。最后，将柔性 X 射线探测器连接到外部驱动电路，包括用于选线的列和行驱动器，以及用于信号采集的电流读出电路（图1e）。
图 1：基于二维材料的柔性 X 射线探测器。a、柔性有源矩阵X射线探测器示意图。b 、显示 MoS2 TFT 和石墨烯/MoS2光电探测器的 1T-1R 结构的设备布局。TFT 采用底部栅极结构制造，顶部具有较厚的遮光层。c 、柔性X 射线探测器的照片。X 射线探测器的背面覆盖有黑色遮光膜。d 、在聚酰亚胺基板上制造的像素阵列的光学图像。插图显示了由一个 TFT（通道宽度（W）：200 μm；通道长度（L）：10 μm）和一个光电探测器（W：2,560 μm；L：15 μm）组成的单个 1T-1R 单元的放大视图。e 、 X 射线探测器的电路图。数据线提供V D并读出 X 射线产生的电流信号，栅极线控制开关 TFT。
TFT和光电探测器的特性
X射线探测器的数据采集速度在很大程度上取决于通过背板TFT的信号读出过程。例如，基于载流子迁移率为0.5-1 cm2V−1s−1的非晶硅（a-Si）TFT的背板的读出速度很慢，低于3帧/秒。另一方面，最近为高性能X射线检测而开发的迁移率为10-30 cm2V−1s−1的氧化铟锡锌TFT的速率为30-60帧/秒。然而，这种基于氧化物半导体的背板由于机械性能差而使柔性探测器的制造变得困难。
在这方面，MoS2因其相对较好的机械和电性能可用作替代品。在柔性聚酰亚胺基板上制备的MoS2 TFT 的电特性提供 17.31 cm2V−1s−1的平均迁移率和 ~108的高平均I on / I off比（图2a和补充图2），满足高性能 X 射线探测器运行的电气要求。阈值电压（V th）是阵列设备中串扰控制的重要参数，在漏极电压（V D）为 1 V 时提取到的平均值为 1.7 V，标准差为 0.8 V（参考文献21 ）。因此，制备的具有正V th 的MoS2 TFT适合在有源矩阵型背板中实现。
图 2：MoS2 TFT 和石墨烯/MoS2光电探测器的性能。a 、 V D = 1 V时带有石墨烯触点的 MoS2 TFT的转移曲线。右侧的y轴刻度（蓝色曲线）表示电流值，单位为µA。b、MoS2 TFT的输出特性， V G范围为 0 V 至 6 V，步长为 2 V。c、 VD = 1 V 时带有石墨烯（红色）和金（深色）触点的 MoS2 TFT 的传输曲线。d 、 石墨烯/ MoS2光电探测器在 532 nm 光下的 I-V 特性，与Gd2O2S闪烁体的发射峰非常接近。e 、石墨烯/MoS2光电探测器对不同光功率和波长 405 nm、532 nm 和 607 nm 的光响应。f 、石墨烯/MoS2光电探测器对波长 405 nm、532 nm 和 607 nm的瞬态特性。g，3,600 像素的暗电流和光电流（50 µW cm−2 ）显示了设备的均匀性。h ，基于 2D 材料的背板捕获的骨折图像（插图：骨折图像掩模的光学图像）。
图2b显示在柔性塑料基板上制备的 MoS2 TFT 的输出曲线，该曲线在线性区域表现出欧姆接触行为，在正栅极电压 (VG) 范围从 2 V 到 6 V 时表现出 mA 级漏极电流 (ID) 饱和。这种高电流饱和度对于实现快速信号读出是理想的 。最近有报道称，过渡金属二硫属化物与半金属材料的范德华接触可以抑制接触电阻。考虑到接触电阻工程以及机械柔韧性，我们在制备 MoS2 TFT 时利用双层 (2L) 石墨烯作为接触电极，并将其电气性能与使用金电极制备的 TFT 进行了比较。正如预期的那样，由于金属诱导的间隙态减少和完整的范德华接触，石墨烯接触 TFT 表现出的 ID比金接触高大约四倍（图2c和补充图3）。
除了TFT之外，光电探测器也是数字X射线探测器的重要组成部分。光电探测器的关键特性是光响应度高于0.1 A W-1，静态射线照相的响应时间（T r）快于200-500毫秒。用于获取人体内部图像的计算机断层扫描医学成像技术需要动态操作，帧速率超过3-6帧/秒，T r快于5毫秒（参考文献24、25 ）。在开发的X射线探测器中，利用MoS 2上的石墨烯叉指电极设计了光电阻型光电探测器。这些电阻型光电探测器可以高灵敏度和中等响应速度检测低功率X射线，适用于低剂量X射线检测应用。为了评估石墨烯/MoS2光电探测器的基本性能，我们表征了该器件在 532 nm 可见光下的光学响应，该光与 Gd2O2 S 闪烁体的发射峰（544 nm）相似。通过测量暗光下和 532 nm 光下的I D – V D曲线来评估光电探测器的静态特性，其中功率密度为 8.5 μW cm −2和 24.0 μW cm −2，与闪烁体的发射功率相似（图2d ）。光电探测器在 8.5 μW cm −2和 24 μW cm −2光功率下显示的光照条件电流（I photo）分别是暗条件电流（I dark ）的 150 倍和 470 倍。此外，线性输出曲线表明 MoS2和石墨烯通过大面积形成欧姆接触，而没有明显的劣化。进一步研究了光电探测器在不同波长（405 nm、532 nm 和 607 nm）的入射光下的特性，入射光的功率密度范围为 168 nW cm−2至 33.6 μW cm−2（图2e）。不同波长获得的曲线几乎是线性的（α = 0.89），这表明光电导效应是光电探测器的主要机制。该结果也与 MoS2 TFT 由于 S 空位低而具有正V th有关。光响应度定义为光生电流I ph = I photo–I dark和入射光功率 ( P in ) 在 405 nm、532 nm 和 607 nm 下分别为 17.59 A W −1、9.37 A W −1和 6.61 A W−1 。相比之下，厚度为微米级的商业化 Si 和有机光电探测器通常提供 0.1 至 0.3 A W −1范围内的光响应度。制备的石墨烯/MoS2光电探测器的活性光吸收厚度约为 1.4 nm ，显示出优异的光响应度，这归因于 MoS2的高光吸收系数（参考文献26 ）。测得的制备的石墨烯/MoS2光电探测器单元的噪声电流和噪声等效功率 (NEP)分别为 11.3 pA 和 1.21 pW（补充表2）。虽然噪声电流高于商用 Si 基 X 射线探测器，但由于所制备光电探测器的光响应度高，NEP 较低。线性动态范围 (LDR) 是光电探测器的另一个关键参数，它表示光电探测器表现出恒定光响应的入射光强度范围。所制备的石墨烯/MoS2光电探测器的 LDR 值为 101 dB，与通用 Si 光电探测器相当（补充图4 ）。通过用功率密度为 50 μW cm−2的405 nm 、 532 nm 和 607 nm 激光照射来测量光电探测器的瞬态特性（图2f）。该光电探测器在 532 nm 光和VD = 1 V下的光响应时间 ( Tr ) 为 38 毫秒，与之前报道的基于MoS2的光电阻值相当，比商业化 X 射线探测器中使用的 Si pin 光电二极管（光响应时间约为 0.01 毫秒）慢。通过优化沟道长度和工作电压，以及使用可靠的p型半导体（如 WSe2（参考文献 29））构建结器件，可以进一步改善 Tr 特性。然而，石墨烯/MoS2光电探测器仍然满足Tr要求，对于常用于临床目的的静态测量，范围从 200 毫秒到 500毫秒。因为器件性能的长期稳定性对于实际应用至关重要，我们在器件制造之后立即评估了光电探测器的光响应和 TFT 单元的转移特性，并在 30 天后再次评估，以进行比较（补充图5）。制造的器件在电气和光电性能方面表现出持续的稳定性，30 天内几乎没有任何性能下降。通过在列驱动器上施加 1 V 的 VD、在行驱动器上施加 4 V 的 VG，按照预定义的操作序列测量所有像素，测量了总共 3,600 个像素的阵列特性，例如均匀性、暗条件基极电流（I bd ）和光条件基极电流（I bp ）（图2g和补充图6 ）。从单个像素获得的I bd和I bp对于一般图像传感器校准器件的固有噪声至关重要。利用这些光电探测特性，我们首先检查了所制备的基于二维材料的背板在可见光下的图像捕获能力，并在透明玻璃上制作的骨骼骨折图像作为 X 射线检测的预处理（图2h）。对于成像，使用传统的图像处理协议，该协议测量背板的电流信号（I信号）并进行后处理以校准固有噪声（I bp −I信号 / I bp −I bd ） 。基于二维材料的大面积高分辨率背板捕获的映射图像呈现出可忽略不计的串扰，从而保留了目标图像的细节特征。
采用二维材料的高灵敏度 X 射线探测器
基于背板在可见光下的性能评估，我们在与Gd2O2S闪烁体层压后进行了X射线测量（图3a）。为了评估静态性能，在不同的VG （范围从-2 V到4 V）和固定V D为1 V的情况下测量了不同X射线强度（9.3 μGy s −1至74.4 μGy s −1 ）下的I D输出（图3b）。在V G = −2 V 至V G = 0 V 范围内， I D输出与 X 射线强度无关 ，表明 MoS2 TFT 设置为关闭状态，而I D输出显然取决于V G = 4 V 时的 X 射线强度 。此外，基于 2D 材料的 X 射线探测器在管电压为 80 kV、40 kV 和 10 kV 时分别显示 10.4、11.9 和 13.5 的 SNR 值，并在 57 μGy 的低剂量下，远高于数字射线照相术32所需的 2.5 的 SNR 值（图3c和补充图7）。此外，该X射线探测器在剂量率为100 μGy s −1和10 keV X射线谱时实现了3.49 × 10 5 μC Gy −1 cm −2的灵敏度，超过了现有基于氧化物和有机半导体的X射线探测器设定的典型性能基准，并且与基于钙钛矿的X射线探测器相当（补充表3）。这种高灵敏度使得即使在低剂量的X射线曝光下也可以获得高质量的图像，这对于低剂量的诊断和检查至关重要。为了评估所制备的石墨烯/MoS 2基器件的检测极限，我们测量了不同X射线剂量下的SNR值，范围从0.1 μGy s −1到1.9 μGy s −1，并估算出所制备的X射线探测器单元的检测极限为63.7 nGy s −1，对应于SNR值为2.5（补充图8 ）。这个检测极限比胸部X射线检查1所需的典型剂量低约3600倍。通过应用一系列50 ms的短期X射线输入来测试X射线探测器的瞬态特性，这接近于器件响应时间。在50 ms的X射线曝光（9.3 μGy s −1在图3中，我们观察到当X射线脉冲间隔为1s时，背景电流的变化非常大，在第一个序列中最高，为36%，从第二个序列开始，输出变化在3%的变化范围内（图3d）。在以500ms为间隔重复曝光50ms X射线脉冲时，背景电流向上漂移。背景电流的增加主要归因于石墨烯/MoS2基光电探测器单元的恢复速度慢，这会导致滞后，从而在动态成像中产生重影。相比之下，以1s为脉冲间隔记录的X射线响应在重复的X射线曝光下显示出稳定的背景电流，几乎没有增加（补充图9）。这表明，在标准静态模式条件下，以1s为间隔曝光，开发的X射线成像系统可以稳定恢复，不会出现任何滞后或重影。我们相信，优化光电探测器和TFT的性能可以进一步改善探测器的响应特性。
图 3：使用基于 2D 材料的背板进行 X 射线检测。a、显示 X 射线检测过程的闪烁体和背板示意图。b、在V D = 1 V时，栅极电压相关的电流响应对 X 射线曝光范围为 0 至 74.4 μGy s −1，步长为 9.3 μGy s−1 。 插图显示了 X 射线探测器单元的电路图。c 、在不同 X 射线管电压下来自石墨烯/MoS2光电探测器的 X 射线感应电流信号。d 、e、对不同 X 射线曝光时间 50 毫秒 ( d ) 和 180 秒 ( e ) 的瞬态响应。f 、直方图表示对于所制造的 X 射线探测器的所有 3,600 个像素获得的I bd ( I off ) 和I X -ray ( I on ) 电流值的统计分布。g 、黑色塑料盖覆盖的 PCB 电路的照片。插图显示了内部 PCB 电路的照片。h、i 、在不同X射线剂量57 µGy ( h )和228 µGy ( i )下对黑色塑料盖覆盖的PCB电路进行成像的结果。
为了评估器件在X射线辐射下的稳定性，我们对其进行了180秒的连续曝光，剂量为72 mGy，这相当于数百次胸部X光检查的曝光时间（图3e ）。由于大部分暴露的X射线被Gd2O2S闪烁体吸收，因此器件运行稳定，没有明显的X射线引起的性能下降，例如暗电流和光电流变化。通过在74.4 μGy s −1的X射线剂量率下获得所有3,600个像素的I off 和I on 特性来评估阵列特性（图3f），表明基于2D材料的背板表现出稳定可靠的X射线响应，在X射线暴露下具有良好的均匀性。为了展示高灵敏度的基于2D材料的背板实现的低剂量射线照相技术，我们在用不透明塑料覆盖商业化印刷电路板（PCB）后捕获了它的图像（图3g）。基于2D材料的X射线探测器的突出特点之一是它可以在低于一般医学诊断所需剂量（200-10,000 μGy）的辐射剂量下详细捕捉电路的特征。由于光电探测器的强光响应和背板的高分辨率，捕获的图像呈现出PCB的详细特征，例如互连线和电子单元（图3h）。此外，我们还研究了探测器在中等X射线剂量下的性能。由于闪烁体的发射功率取决于施加的X射线剂量，因此捕获的图像表现出更高的亮度和对比度（图3i）。
柔性X射线检测的几何适应性
将研制的X射线探测器安装到弯曲物体上后，我们进一步研究了所捕获图像的均匀性和图像畸变质量。传统平板图像传感器获得的图像的不均匀性通常源于源方向和图像传感器之间的角度不匹配，以及中间和侧面位置与X射线源的距离不同，导致输出强度在到达平板图像传感器的侧面区域时降低（图4a）。与数码相机中使用的小型图像传感器不同，由于没有用于X射线的聚焦透镜，这种不均匀性对X射线探测器来说是一个重大问题。因此，X射线探测器需要比典型的可见光图像传感器大得多的有效面积，这加剧了不均匀性问题。相比之下，柔性X射线探测器可以通过调整整个有效区域的角度和距离来有效地缓解这种不均匀性。为了探索所制备的柔性 X 射线探测器的机械优点，例如适形性/弯曲性，需要评估弯曲设备上的机械应变，以防止闪烁体和背板可能出现的机械故障。为了分析不同弯曲半径（R）下的机械应变水平及其分布，我们进行了有限元分析（FEA）模拟（补充图10 ）。计算得出，在弯曲半径为 50 R时，闪烁体和背板层最上端位置的应变水平约为 0.4% 和 0.2% ，明显低于断裂应变。我们观察到，在弯曲半径达到 10 R时，闪烁体发射特性和背板电路的电特性都得到很好的保存，这是实现均匀图像采集的重要特性（补充图11和12）。
图 4：通过拟合几何增强 X 射线图像。a、曲面 X 射线探测器的晕影抑制示意图。平板探测器的不均匀距离和角度会导致图像不均匀。b 、c 、平板（ b）和曲面（c）X 射线探测器上 X 射线曝光产生的电流分布。d、曲面和平板 X 射线探测器根据位置的归一化电流响应。e 、f 、平板（ e）和曲面（f）X 射线探测器上曝光的 X 射线强度的 FEA 仿真结果。g 、具有 “+”形孔的圆柱体曲面上 X 射线成像的示意图。几何不匹配和由此产生的间隙会导致平板 X 射线探测器上基于投影的图像失真。h、平板（左）和曲面（右）X 射线探测器捕获的图案化圆柱体表面获得的 X 射线成像结果。平板情况的右侧小框（红色实线和虚线框）表示平板探测器图像失真的扩展视图。橙色虚线表示“+”形孔的原始形状。曲面 X 射线探测器的图像失真可忽略不计（蓝色实线和虚线框）。
此外，我们评估了平面和曲面背板上位置相关的X射线感应电流产生。平面探测器显示圆形电流分布，中心区域电流较大，边缘侧电流较小。值得注意的是，所使用的X射线源是点型，其在X射线源和探测器之间的距离和角度不均匀（图4b）。这导致X射线强度降低cos 4 ϕ，其中ϕ是点源处探测器中心和边缘之间的角度。相比之下，曲面X射线探测器可以在整个探测器平面上产生均匀的电流分布，因为距离和角度是均匀的（图4c）。在探测器中间水平线处提取的电流值显示图像不均匀的程度（图4d）。平面探测器在中心位置表现出高强度，随着向边缘侧移动而逐渐减小。相比之下，曲面探测器在所有覆盖区域中显示出均匀的电流分布。为了进一步研究图像均匀性，我们使用光学射线追踪模型对平板和曲面 X 射线探测器上暴露的 X 射线强度进行了 FEA 模拟。模拟结果表明，平板探测器上暴露的 X 射线强度在边缘处的强度（~35%）比中心位置的强度小，而在曲面探测器上则分布均匀。正如预期的那样，平板探测器上的 X 射线强度以I 0 cos 4 ϕ的趋势下降，其中I 0是中心位置的 X 射线强度。有趣的是，曲面 X 射线探测器的I 0 cos ϕ下降幅度较小，这表明捕获的图像的均匀性更好。我们注意到剩余的 cos ϕ不是来自探测器，而是点源的固有特性。这个结果很好地解释了输出电流的不均匀性（37-41%）（图4e、f）。此外，使用平面图像传感器在近距离条件下捕捉弯曲物体时经常出现的基于投影的图像失真可以通过类似的拟合方法抑制。这种基于投影的图像失真主要归因于非平面目标物体和探测器之间的间隙。为了证明基于投影的图像失真的减少，我们准备了一个带有“+”形孔的金属圆柱体来模拟工业中的管道缺陷检查。然后，我们将 X 射线辐射暴露在倾斜圆柱体后面的探测器上，其设置类似于管道检查的工业协议（图4g））。平板探测器获得的图像清晰地显示出扭曲的特征，例如水平方向的倾斜和收缩，而由于单轴弯曲的圆柱体几何形状（图4h），垂直方向与原始形状保持相似。在放大的图像（红色框）中，直接与原始形状（橙色虚线）进行比较时，这些倾斜和收缩的扭曲特征更容易辨认。’+’图像在水平方向上收缩至原始尺寸的77％，而垂直长度几乎没有变化，因为圆柱体仅在水平方向上具有曲率。除了收缩之外，平板探测器与圆柱体和点X射线源之间的几何不匹配导致’+’图像中出现6.1度的轻微倾斜。相比之下，在调整X射线探测器以紧密匹配目标圆柱体的曲率后，捕获的图像不仅显示出几乎不可察觉的水平倾斜，而且收缩也明显减少。这有效地消除了基于投影的失真，并证明了探测器即使在处理不规则表面时也能准确呈现物体形状的增强能力。
基于机器学习的图像增强后处理
在 X 射线成像中，Gd2O2S闪烁体经常会遇到与光散射有关的挑战，导致图像噪声和清晰度下降（图5a ）。为了减轻闪烁体散射造成的这种质量下降，在后处理阶段需要采用基于软件的方法。因此，我们在数据采集后集成了基于 GAN 的软件辅助协议，以增强生成的图像，使其具有更高的分辨率和更好的质量。GAN 被称为两个网络的组合：生成器和鉴别器。生成器网络用于从现有信息中生成目标结果，而鉴别器网络则充当判断，估计输入是否属于真实集的可能性（图5b）。首先，我们训练生成器网络并从原始图像中获得更好的图像；然后我们将该图像呈现给鉴别器以评估其真实性。如果生成的结果通过了鉴别器网络的测试，我们就可以声称我们收集了该结果。此过程的关键方面是训练这两个网络以获得去噪图像。图5c、d分别展示了直接从设备获取的图像和使用基于 GAN 的后处理生成的图像。生成的图像呈现出更易于区分的电子零件内部结构，其特点是对比度更高、边界清晰（图5c、d和补充图13）。为了进行清晰的比较，分析了所获得图像上的选择性位置，例如 USB 端口、按钮和微控制器单元芯片（分别突出显示为 A1、A2 和 A3）。为 USB 端口区域提取的线强度图清楚地支持了处理后图像的对比度和边界清晰度的改善。这种增强可以补偿与闪烁体相关的光散射效应，并提高检查缺陷和故障的准确性。我们还对直接获得的图像和 GAN 处理的图像进行了统计分析，以定量评估图像清晰度和降噪方面的增强（图5e和补充说明)。Brenner 值、灰度差模和 (SMD) 和方差指标的比较结果表明，我们的网络增强图像的能力明显提高。更高的 Brenner 值突显出更好的边缘清晰度，而 SMD 的改进则反映了更清晰的结构细节。此外，较低的方差表明噪声较少，从而使图像表示更准确。这些改进意味着我们的方法不仅在清晰度至关重要的医学诊断中很有价值，而且在以更高的精度检查电子元件等小而复杂的物品方面也很有价值。
图 5：基于机器学习的 X 射线图像增强后处理。a、基于闪烁体的 X 射线检测过程示意图，其中基于 2D 材料的背板捕获散射光子，然后进行后续软件处理。b 、使用 GAN 的降噪算法说明。c 、d 、处理前（c）和处理后（d）图像的比较可视化，右下插图描绘了沿突出显示的橙色线的强度分布。比例尺，5 毫米。e 、对整幅图像和目标区域A1、A2 和 A3 的 Brenner、SMD 和方差指标进行统计评估。
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