X射線探測器廣泛應用于醫療診斷、工業無損探傷、安防檢測等領域。然而，為了滿足高圖像質量和高精度診斷的需求，原始數據量不斷地增加，這為傳統X射線探測硬件在數據傳輸和功耗方面帶來了諸多挑戰。

據麥姆斯咨詢報道，近日，華中科技大學的科研團隊在Nature Communications期刊上發表了以“Reconfigurable perovskite X-ray detector for intelligent imaging”為主題的文章。該論文的第一作者為Jincong Pang，通訊作者為牛廣達教授。

這項研究提出了一種基于CsPbBr?單晶探測器的X射線探測器內計算方案，該探測器具有易用的極性可重構性、良好的線性動態范圍和強大的穩定性。該探測器具有穩定的無陷阱器件結構，實現了106 dB的高線性動態范圍。實驗結果表明，該探測器可以實現邊緣提取成像，數據壓縮比約為50%；也可以通過編程和訓練來執行模式識別任務，準確率高達100%。這項研究表明，X射線探測器內計算可以在靈活和復雜的場景中使用，使其成為智能X射線成像頗具前景的平臺。

X射線成像產生的大量數據正在成為其數據傳輸的瓶頸。為了實現X射線探測器內計算方案，研究人員的設計理念涉及構建由多個子像素組成的宏像素，并結合卷積運算來獲得預處理圖像。X射線光子的同時探測和初步數據處理可以通過單次讀出過程實現，其工作機制如圖1a所示。

圖1 X射線探測器內計算方案的工作原理

研究人員制備了一種N-I-P型器件Bi-ZnO-CsPbBr?-NiOx-C，其中選擇無機傳輸層以確保高偏置穩定性。研究人員還引入了C??層，該層已被證明是一種有效的鈍化層，可以抑制晶體表面缺陷狀態，相關結果如圖2所示。然后，研究人員系統地評估了該鈍化探測器在X射線探測器內計算中的關鍵性能指標，相關結果如圖3所示。

圖2 鈣鈦礦單晶（PSC）在有和沒有C??鈍化層下的缺陷研究

圖3 鈣鈦礦單晶探測器的性能

研究人員利用偏置可調諧線性X射線探測器可以實現卷積核，從而達到邊緣清晰度和數據壓縮效果。為了成像真實物體，研究人員采用了具有上述器件結構的宏像素探測器。測試系統如圖4a所示。放置在成像目標物體與探測器之間的是準直器，這是系統的關鍵組成部分。宏像素鈣鈦礦單晶探測器表現出可同時感知和處理的功能，并且只能對目標物體探測和傳輸邊緣信息。

圖4 邊緣提取成像

具有可調諧權重的宏像素鈣鈦礦單晶X射線探測器，在形成卷積神經網絡和執行圖像分類任務方面顯示出潛力，如圖5a所示。通過調整每個像素上的偏置電壓，可以更新神經網絡的權重。被物體遮擋并以電信號表示的X射線信息，乘以由偏置電壓表示的權重值，即可計算總輸出電流。其輸出值再反饋調諧每個像素的偏置電壓，并重復該過程。

圖5 卷積神經網絡的實現

綜上所述，這項研究提出了X射線探測器內計算器件。得益于低缺陷密度和有效的鈍化，N-I-P型CsPbBr?鈣鈦礦單晶探測器具有理想的傳感器內計算性能，包括極性可重構性、良好的線性動態范圍和強大的穩定性。硬件本身可以執行數據壓縮的邊緣提取，使用不同的卷積核處理圖像，并執行高精度的模式識別任務，這相當于復雜且耗能的基于軟件的計算過程的性能。這項研究為克服X射線探測系統中與數據傳輸、處理和存儲相關的挑戰提供了潛在解決方案，也為未來開發和應用先進的基于神經網絡的X射線探測器鋪平了道路。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46184-0

審核編輯：劉清