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Research综述|福州大学杨黄浩团队:X射线成像技术发展的未来与挑战

http://www.qctester.com/ 来源: 本站原创  浏览次数:457 发布时间:2022-6-14 QC检测仪器网

X射线的发现开启了X射线测量学的新时代,推动了医学影像、工业探伤、安检防爆、高能物理等领域的科技变革。近日,福州大学杨黄浩教授团队与西北工业大学刘小网教授/柏桦博士课题组对近期X射线成像技术的发展进行了综述和总结。文章以近百年来X射线成像技术的发展为主线,系统性地介绍了几代X射线成像技术的原理及优缺点,针对现有成像技术存在的问题进行分析,并对X射线成像技术未来的发展与挑战做出了展望。该论文以“Recent Development in X-ray Imaging Technology: Future and Challenges”为题发表在Research上。

 

Citation:Xiangyu Ou, Xue Chen, Xianning Xu, Lili Xie, Xiaofeng Chen, Zhongzhu Hong, Hua Bai, Xiaowang Liu, Qiushui Chen, Lin Li, Huanghao Yang, "Recent Development in X-Ray Imaging Technology: Future and Challenges", Research, vol. 2021, Article ID 9892152, 18 pages, 2021. https://doi.org/10.34133/2021/9892152

研究背景

 

1895年11月,德国物理学家威廉·伦琴发现了X射线,随后在光学物理、材料化学以及生物医学领域掀起了一阵X射线成像技术的研究热潮。X射线是一种波长为0.01~10 nm的电磁波辐射,具有很强的穿透性。当X射线穿透成像目标物时,成像目标物中不同组分对X射线的吸收能力不同,到达X射线探测器上的X射线光子能量有所差异,形成了对比度不同的影像,即X射线成像(如图1(a)所示)。随着科学技术的不断进步,X射线探测器的发展逐渐由胶片成像时代向数字化成像时代过渡(如图1(b)所示)。清晰地掌握X射线成像技术的发展及发展过程中存在的不足,有利于促进X射线成像技术的进步,从而为新型X射线探测器的发展提供充分的科学理论基础。

图1  X射线成像技术的原理(a)和X射线探测器的发展(b)

 

研究进展及展望

 

这篇综述以闪烁体屏-胶片的X射线成像技术(Film-Screen Radiography)为开端,对近百年来X射线成像技术展开介绍。自20世纪初以来,感光胶片在很长一段时间内作为X射线影像记录的载体,而闪烁体屏作为X射线能量转换的介质能够有效地降低X射线辐射的剂量。1983年,日本富士公司发展了计算机X射线影像技术(Computed Radiography;CR),开启了平面X射线数字化成像的时代。以光激励材料BaFBr:Eu2+作为成像板原料的CR技术在X射线曝光后,通过激光逐点扫描的方式读取成像信息。鉴于CR成像分为“存储”和“读取”两个过程,它无法实现动态成像。20世纪90年代初的数字化X射线影像技术(Digital Radiography;DR)的出现,很好地解决了动态成像的问题,成为目前最广泛使用的X射线成像技术。DR技术的核心为平板探测器,平板探测器主要分为直接型和间接型平板探测器,间接型的平板探测器主要由闪烁体层、非晶硅光电转换层以及薄膜晶体管阵列组成。

 

图2  基于钙钛矿纳米晶闪烁体的X射线平板探测器

 

尽管X射线成像技术在过去数十年取得了许多重要的进展,低剂量、高分辨、大面积以及柔性的X射线探测器的研发仍然是科研工作者所面临的挑战。闪烁体作为一类将高能辐射(X射线、γ射线、β粒子等)转换为紫外-可见光的材料,是X射线影像探测器设备中的核心部件,研发高效率的闪烁体是制造高性能X射线成像设备的关键之一。现如今,CsI: Tl和Gd2O2S: Tb晶体是目前在X射线探测器上使用最为广泛的闪烁体,而上述两种闪烁体面临着制备条件苛刻、余辉时间长、光产额低等缺陷,并且高温制备所导致尺寸的不可控使其无法制备大面积柔性的X射线探测器。近些年,低温溶液法制备的闪烁体材料将有望为下一代高性能X射线探测设备提供新途径。例如,已在光伏和发光显示领域崭露头角的钙钛矿材料具有量子产率高、发射带隙窄、余辉时间短等优势,特别是含重元素Pb掺杂的钙钛矿材料有利于其X射线的吸收与转换。钙钛矿纳米晶体已证实其作为闪烁体层应用于平板探测器的可行性,并且,钙钛矿结构和成分上的灵活性成就了其性能上的多样性,科研工作者逐渐将目光聚焦于零维、二维以及三维非铅钙钛矿闪烁体的X射线成像研究。近日,科研工作者发现了一类稀土掺杂的氟化物纳米闪烁体材料具有长寿命的X射线发光现象,通过将其和有机柔性基质相融合,制备出柔性的X射线成像设备,是X射线成像技术又一重大突破。综上,发展新型高效闪烁体材料有望突破X射线成像技术的瓶颈,从而发展下一代低成本、高灵敏、柔性的X射线成像设备。

 

作者简介

 

杨黄浩,福州大学副校长,教授。2008年入选福建省“闽江学者”特聘教授,2011年获国家杰出青年科学基金,2013年入选教育部“长江学者”特聘教授,2015年入选全国先进工作者。杨黄浩教授在功能纳米材料、纳米生物传感与成像领域的理论研究和实际应用方面取得了系统性的创新成果。先后主持国家重点研发计划(首席)、国家重大科研仪器研制项目、国家基金重点项目、中央军委科技委项目、国家973计划课题、国家863计划课题。以通讯作者在包括Nature、Chemical Society Reviews、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials等国际权威刊物上发表论文150余篇。

 

柏桦,西北工业大学柔性电子研究院讲师,西安市生物医学材料重点实验室办公室主任。先后主持国家自然科学基金、全军医学科技培育课题、陕西省重点实验室基金、陕省科技攻关项目、陕西自然科学基金面上项目、宁波市自然科学基金一般项目、中央高校基本科研业务费资助项目。担任全国活性氧生物学效应专业委员会常委兼秘书长,陕西省预防医学会营养与食品安全专业委员会委员,中国生物物理学会自由基医学专业委员会青年委员。第一/通讯作者在Chem Soc Rev、Antioxid Redox Sign等国际期刊上发表论文17篇。

 

刘小网,西北工业大学柔性电子研究院教授,翱翔海外青年学者,目前的研究兴趣主要包括:X射线成像和柔性电子学。先后主持国家自然科学基金青年、面上项目和安徽省杰出青年基金项目等,以通讯和第一作者在包括Nature Communications、Advanced Materials、Angewandte Chemie 和Chemical Society Reviews等国际权威刊物上发表论文50余篇。

 

 

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