圖 | 牙周 X 射線成像（來(lái)源：Pixabay）

2018 年，有媒體曾列出 “卡住中國(guó)脖子的 35 項(xiàng)技術(shù)”，除了大家比較熟悉的航空發(fā)動(dòng)機(jī)、光刻機(jī)、芯片等，這其中還包括醫(yī)學(xué)影像設(shè)備元器件。

然而這一局面現(xiàn)在將有所改觀。

據(jù)了解，福州大學(xué)楊黃浩、陳秋水教授課題組、新加坡國(guó)立大學(xué)劉小鋼團(tuán)隊(duì)與合作者發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)余輝發(fā)光的稀土氟化物納米晶閃爍體，提出了高能量 X 射線光子誘導(dǎo)缺陷產(chǎn)生長(zhǎng)余輝發(fā)光的機(jī)理，并制備出新一代柔性 X 射線成像設(shè)備，突破了傳統(tǒng) X 射線平板探測(cè)器的限制。

2 月 17 日，他們?cè)?em>?Nature?上發(fā)表了題為 “高分辨率 X 射線發(fā)光擴(kuò)展成像技術(shù)” 的論文，對(duì)這一研究成果進(jìn)行了介紹。

圖 |?Nature?相關(guān)論文截圖（來(lái)源：Nature）

論文發(fā)布之后，Nature?雜志也發(fā)表了述評(píng)：此項(xiàng)研究讓 X 射線成像技術(shù)有了較大突破，標(biāo)志著中國(guó)在柔性 X 射線成像技術(shù)方面已經(jīng)進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列。此外，這也將加速推動(dòng)高端 X 射線成像設(shè)備實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

國(guó)內(nèi) X 射線設(shè)備并未實(shí)現(xiàn)完全自主化

“目前，我國(guó)高端 X 射線醫(yī)學(xué)影像設(shè)備以及關(guān)鍵元器件主要依賴于進(jìn)口，自主研發(fā)高端 CT、DR 和 CR 設(shè)備的創(chuàng)新能力仍然有待于提升?！?談及國(guó)內(nèi) X 射線影像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，陳秋水說(shuō)道。

常見(jiàn)的 X 射線醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，比如平板探測(cè)器是通過(guò)一層閃爍體材料和一層高度像素化的非晶硅耦合薄膜晶體管（TFT）陣列，將穿過(guò)目標(biāo)物的 X 射線光子轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的數(shù)字化 X 射線成像。

“閃爍體是平板探測(cè)器的核心部件?！?陳秋水指出。X 射線影像設(shè)備中被稱為 “光子晶片” 的閃爍體，其作用是將高能量 X 射線光子轉(zhuǎn)為可見(jiàn)光，它的性能決定著整個(gè)設(shè)備的成像靈敏度和分辨率。然而，作為核心部件的這種高性能閃爍體材料目前絕大部分依靠進(jìn)口。

一味地依賴進(jìn)口就必然會(huì)導(dǎo)致被他國(guó)掣肘。對(duì)此，陳秋水表示：“進(jìn)口高端醫(yī)學(xué)影像設(shè)備及其關(guān)鍵元器件面臨成本高以及核心技術(shù)封鎖等問(wèn)題?！?他隨后補(bǔ)充道：“現(xiàn)階段商用平板探測(cè)器普遍采用的是鉈摻雜的碘化銫（CsI:Tl）或鋱摻雜的硫氧化釓（Gd2O2S:Tb）閃爍體，這一類材料的制備工藝復(fù)雜且?guī)в休^強(qiáng)的毒性，關(guān)鍵是核心制備技術(shù)一直被日本、歐洲國(guó)家所壟斷。”

面對(duì)外國(guó)的技術(shù)封鎖，自主創(chuàng)新研發(fā)是唯一出路，中國(guó)亟待研發(fā)出新型 X 射線成像閃爍體材料來(lái)實(shí)現(xiàn)破局。

稀土納米閃爍體長(zhǎng)余輝材料是關(guān)鍵突破口

想要突破就需要對(duì)目前的技術(shù)瓶頸進(jìn)行攻關(guān)?，F(xiàn)階段，薄膜晶體管陣列、非晶硅光電轉(zhuǎn)換層和閃爍體是制造傳統(tǒng) X 射線平板探測(cè)器不可缺少的材料，然而商業(yè)化的平板探測(cè)器不但體積龐大而且造價(jià)昂貴，關(guān)鍵是還有一個(gè)先天 “缺陷”—— 無(wú)法實(shí)現(xiàn)曲面以及不規(guī)則物體的三維成像。

近 30 年來(lái)，科學(xué)家們致力于研發(fā)出一種柔性 X 射線平板探測(cè)器，但開(kāi)發(fā)柔性 X 射線平板探測(cè)器存在兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)壁壘：

其一，難以制備大面積高效的柔性薄膜晶體管陣列；

其二，傳統(tǒng)微米級(jí)閃爍體材料不適合應(yīng)用于柔性器件的制造。

這意味著以現(xiàn)階段的技術(shù)想要制造出大面積、柔性的（薄膜晶體管陣列和非晶硅光電轉(zhuǎn)換層）X 射線平板探測(cè)器非常困難。

陳秋水研究團(tuán)隊(duì)在稀土鹵化物晶體中找到靈感，發(fā)現(xiàn)這種閃爍體具有尺寸易調(diào)控、無(wú)色透明、分散性良好、余輝性能優(yōu)異等特點(diǎn)，從而制備出了新型的稀土納米閃爍體長(zhǎng)余輝材料，這讓柔性 X 射線成像設(shè)備的制造成為可能。

柔性 X 射線成像設(shè)備研發(fā)成功，相較傳統(tǒng)設(shè)備優(yōu)勢(shì)明顯

長(zhǎng)余輝發(fā)光指的是在激發(fā)光（紫外 – 可見(jiàn)光、X 射線、γ 射線等）停止以后，仍然可以持續(xù)發(fā)光數(shù)秒到數(shù)小時(shí)的現(xiàn)象。比如，中國(guó)古代夜明珠是一種典型的硫化物長(zhǎng)余輝材料。

“受激發(fā)電子儲(chǔ)存在晶體的缺陷態(tài)中，電子克服能量勢(shì)壘由缺陷態(tài)緩慢地遷移至發(fā)光中心，產(chǎn)生發(fā)光的延遲，這是從光物理學(xué)的角度來(lái)解釋?！?陳秋水說(shuō)表示。

由于長(zhǎng)余輝材料具有獨(dú)特的發(fā)光性質(zhì)，其被廣泛地應(yīng)用于夜間照明、生物醫(yī)學(xué)、光信息存儲(chǔ) – 讀取、高能輻射探測(cè)等諸多領(lǐng)域。然而這種材料也并非沒(méi)有缺點(diǎn)，“傳統(tǒng)長(zhǎng)余輝材料存在高溫煅燒余輝性能優(yōu)異但形貌不可控和低溫合成形貌可控但余輝性能不佳這一主要矛盾?！?他指出。

針對(duì)這一問(wèn)題，陳秋水團(tuán)隊(duì)認(rèn)為鹵化物晶格中的 “Frenkel” 缺陷和發(fā)光離子間的能量傳導(dǎo)，有望誘導(dǎo)產(chǎn)生長(zhǎng)余輝現(xiàn)象。接下來(lái)，他們便結(jié)合同步輻射、熱釋光學(xué)曲線分析、電子順磁共振表征以及光譜等技術(shù)，對(duì)晶格缺陷的本質(zhì)展開(kāi)深入研究。

通過(guò)選擇合適的鹵化物基質(zhì)晶格、摻雜高效的稀土發(fā)光離子、巧妙地設(shè)計(jì)核殼結(jié)構(gòu)，采取低溫共沉淀法制備出高效的納米閃爍體長(zhǎng)余輝材料。實(shí)驗(yàn)證明，該粒子在激發(fā)光 X 射線關(guān)閉后可持續(xù)至少 30 天以上的發(fā)光，具有優(yōu)異的長(zhǎng)余輝發(fā)光性能。

圖 | 稀土納米閃爍體長(zhǎng)余輝的發(fā)光機(jī)理研究（來(lái)源：受訪者）

經(jīng)過(guò)多種表征手段，最終，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于高能量 X 射線光子誘導(dǎo)缺陷產(chǎn)生長(zhǎng)余輝發(fā)光的機(jī)理，這項(xiàng)機(jī)理對(duì)于探索和合成新型鹵化物長(zhǎng)余輝材料有指導(dǎo)意義。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將稀土納米閃爍體長(zhǎng)余輝材料與柔性基質(zhì)相結(jié)合，成功研制出了透明、可拉伸、無(wú)需電子電路、高分辨的柔性 X 射線成像設(shè)備，同時(shí)還開(kāi)發(fā)了 X 射線發(fā)光擴(kuò)展成像（Xr-LEI）新技術(shù)。

據(jù)了解，這項(xiàng)研究成果突破了傳統(tǒng) X 射線成像技術(shù)的極限，其成像空間分辨率大于 20 lp/mm（一毫米里可以分辨出來(lái)的線對(duì)數(shù)量），相較于傳統(tǒng) X 射線平板探測(cè)器優(yōu)勢(shì)明顯。

圖 | 高分辨柔性 X 射線發(fā)光成像（來(lái)源：受訪者）

新型材料的應(yīng)用讓 X 射線成像設(shè)備更簡(jiǎn)單、更微型

傳統(tǒng)平板探測(cè)器由于光電轉(zhuǎn)換過(guò)程極其復(fù)雜，因此需要大量的集成電路協(xié)同工作，這便導(dǎo)致設(shè)備體積龐大、不易便攜，而且對(duì)工作環(huán)境的要求也較為嚴(yán)苛。福州大學(xué)課題組發(fā)現(xiàn)的稀土納米閃爍體長(zhǎng)余輝材料，克服了傳統(tǒng)剛性 X 射線平板探測(cè)器的固有限制，在設(shè)計(jì)原理和制備工藝上都開(kāi)辟出全新的路徑。

他說(shuō)：“當(dāng)以長(zhǎng)余輝材料作為 X 射線能量存儲(chǔ)的介質(zhì)時(shí)，其光學(xué)記憶功能使 X 射線能量可以被保存下來(lái)，從而替代復(fù)雜的集成電路裝置。”

得益于這種新型閃爍體，制造出來(lái)的柔性 X 射線成像設(shè)備具有便攜、成本低、工藝簡(jiǎn)單、成像性能優(yōu)異等眾多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)這也為制備新一代輕薄、便攜、低成本的 X 射線探測(cè)器和成像裝置提供了全新的思路。

可以預(yù)見(jiàn)，基于稀土納米閃爍體長(zhǎng)余輝材料的發(fā)現(xiàn)和使用，未來(lái)柔性 X 射線成像設(shè)備將在醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)探傷、高能物理等領(lǐng)域展現(xiàn)出一定的潛力和應(yīng)用價(jià)值，而柔性 X 射線設(shè)備也將會(huì)進(jìn)一步簡(jiǎn)單化和微型化，比如用手機(jī)拍攝 X 光片或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實(shí)。

非常值得一提的是，早在 5 年前，陳秋水便帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始聚焦高性能閃爍體納米晶體的探索，并在 X 射線成像技術(shù)領(lǐng)域有所成就，2018 年他們?cè)谌珶o(wú)機(jī)鈣鈦礦納米晶閃爍體和新型平板探測(cè)器的研究取得突破性進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在?Nature?雜志上。

圖 | 2018 年在?Nature?發(fā)表的論文截圖（來(lái)源：Nature）

眼下，福州大學(xué)課題組已經(jīng)開(kāi)展了下一項(xiàng)技術(shù)研究，他告訴 DeepTech，“目前，我們團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)低成本納米晶閃爍體制備方法、柔性薄膜加工工藝和圖像讀取設(shè)備。我希望能有更多國(guó)內(nèi)外同行加入到這個(gè)領(lǐng)域的研究隊(duì)伍中，培養(yǎng)出一批科研和技術(shù)人才?！?/p>

X 射線影像技術(shù)在很多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，低劑量、高分辨、柔性的 X 射線成像技術(shù)是科研工作者、工業(yè)界共同追求的目標(biāo)。在采訪的尾聲，陳秋水表達(dá)了對(duì)于未來(lái)的愿景：“我很幸運(yùn)自己能為這個(gè)領(lǐng)域做了一點(diǎn)有益的工作，我期待這個(gè)研究成果有機(jī)會(huì)推向?qū)嶋H應(yīng)用并服務(wù)于社會(huì)?！?/p>

來(lái)源：麻省理工科技評(píng)論