Abstract In this work we describe and simulate a setup which allows the X-ray Fluorescence (XRF) detection of gold nanoparticles (GNPs) excited by a convergent orthovoltage X-ray source, immersed in a big matrix of light elements (water). Under these conditions the problem is the poor Signal-to-Noise Ratio (SNR), which under normal irradiation conditions limit the detection of the GNPs. For the X-ray source (Teledyne CP120B) multiple calculations using SpekCalc software were run to determine an optimum external filtering thickness and collimation material, where was found that 1 mm of Cu external filtering improves the ratio and quantity of useful photons above the Au K-edge absorption energy. Monte Carlo (PENELOPE v2008) simulations were performed using the confocal geometry. The scenarios, including the composition (lead and bronze alloys), shape (cylindrical, conical) and location of the detectors were defined. Using a set of combinations for collimators in the X-ray source and detectors, where both are aligned to a unique focal point, it was possible to increase the SNR of the XRF signal with respect to Compton radiation in a specific region within the phantom, which makes possible to identify the location of the GNPs. The best SNR (185%) was achieved using a 4 cm length conical collimator made of lead. This would allow the development of a new technique for functional medical imaging, and according with the outcome of these simulations, in subsequent stages a prototype will be developed to validate the simulation outcomes, and confirm that it is possible to detect the location of GNPs from a human scale phantom based on their fluorescent emission.

中文翻译：

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大光基质重金属K线共聚焦检测阵列的研制与表征

摘要 在这项工作中，我们描述并模拟了一种设置，该设置允许对浸入大型轻元素（水）矩阵的会聚正电压 X 射线源激发的金纳米粒子 (GNP) 进行 X 射线荧光 (XRF) 检测。在这些条件下，问题在于较差的信噪比 (SNR)，这在正常辐照条件下会限制 GNP 的检测。对于 X 射线源 (Teledyne CP120B)，使用 SpekCalc 软件进行多次计算以确定最佳外部过滤厚度和准直材料，发现 1 mm 的 Cu 外部过滤提高了 Au K 以上的有用光子的比率和数量-边缘吸收能量。Monte Carlo (PENELOPE v2008) 模拟是使用共焦几何进行的。场景，包括成分（铅和青铜合金），定义了探测器的形状（圆柱形、圆锥形）和位置。使用一组用于 X 射线源和探测器中的准直器的组合，其中两者都对准一个唯一的焦点，可以增加 XRF 信号相对于体模内特定区域康普顿辐射的 SNR，这使得识别 GNP 的位置成为可能。使用由铅制成的 4 cm 长锥形准直器实现了最佳 SNR (185%)。这将允许开发一种用于功能医学成像的新技术，并且根据这些模拟的结果，在后续阶段将开发原型来验证模拟结果，并确认可以从以下位置检测 GNP 的位置基于荧光发射的人体模型。锥形）和探测器的位置被定义。使用一组用于 X 射线源和探测器中的准直器的组合，其中两者都对准一个唯一的焦点，可以增加 XRF 信号相对于体模内特定区域康普顿辐射的 SNR，这使得识别 GNP 的位置成为可能。使用由铅制成的 4 cm 长锥形准直器实现了最佳 SNR (185%)。这将允许开发一种用于功能医学成像的新技术，并且根据这些模拟的结果，在后续阶段将开发原型来验证模拟结果，并确认可以从以下位置检测 GNP 的位置基于荧光发射的人体模型。锥形）和探测器的位置被定义。使用一组用于 X 射线源和探测器中的准直器的组合，其中两者都对准一个唯一的焦点，可以增加 XRF 信号相对于体模内特定区域康普顿辐射的 SNR，这使得识别 GNP 的位置成为可能。使用由铅制成的 4 cm 长锥形准直器实现了最佳 SNR (185%)。这将允许开发一种用于功能医学成像的新技术，并且根据这些模拟的结果，在后续阶段将开发原型来验证模拟结果，并确认可以从以下位置检测 GNP 的位置基于荧光发射的人体模型。使用一组用于 X 射线源和探测器中的准直器的组合，其中两者都对准一个唯一的焦点，可以增加 XRF 信号相对于体模内特定区域康普顿辐射的 SNR，这使得识别 GNP 的位置成为可能。使用由铅制成的 4 cm 长锥形准直器实现了最佳 SNR (185%)。这将允许开发一种用于功能医学成像的新技术，并且根据这些模拟的结果，在后续阶段将开发原型来验证模拟结果，并确认可以从以下位置检测 GNP 的位置基于荧光发射的人体模型。使用一组用于 X 射线源和探测器中的准直器的组合，其中两者都对准一个唯一的焦点，可以增加 XRF 信号相对于体模内特定区域康普顿辐射的 SNR，这使得识别 GNP 的位置成为可能。使用由铅制成的 4 cm 长锥形准直器实现了最佳 SNR (185%)。这将允许开发一种用于功能医学成像的新技术，并且根据这些模拟的结果，在后续阶段将开发原型来验证模拟结果，并确认可以从以下位置检测 GNP 的位置基于荧光发射的人体模型。可以增加 XRF 信号相对于体模内特定区域中康普顿辐射的 SNR，这使得识别 GNP 的位置成为可能。使用由铅制成的 4 cm 长锥形准直器实现了最佳 SNR (185%)。这将允许开发一种用于功能医学成像的新技术，并且根据这些模拟的结果，在后续阶段将开发原型来验证模拟结果，并确认可以从以下位置检测 GNP 的位置基于荧光发射的人体尺度幻影。可以增加 XRF 信号相对于体模内特定区域中康普顿辐射的 SNR，这使得识别 GNP 的位置成为可能。使用由铅制成的 4 cm 长锥形准直器实现了最佳 SNR (185%)。这将允许开发一种用于功能医学成像的新技术，并且根据这些模拟的结果，在后续阶段将开发原型来验证模拟结果，并确认可以从以下位置检测 GNP 的位置基于荧光发射的人体模型。使用由铅制成的 4 cm 长锥形准直器实现了最佳 SNR (185%)。这将允许开发一种用于功能医学成像的新技术，并且根据这些模拟的结果，在后续阶段将开发原型来验证模拟结果，并确认可以从以下位置检测 GNP 的位置基于荧光发射的人体模型。使用由铅制成的 4 cm 长锥形准直器实现了最佳 SNR (185%)。这将允许开发一种用于功能医学成像的新技术，并且根据这些模拟的结果，在后续阶段将开发原型来验证模拟结果，并确认可以从以下位置检测 GNP 的位置基于荧光发射的人体尺度幻影。