圖 | 牙周 X 射線成像（來源：Pixabay）

2018 年，有媒體曾列出 “卡住中國脖子的 35 項技術(shù)”，除了大家比較熟悉的航空發(fā)動機、光刻機、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、新加坡國立大學(xué)劉小鋼團隊與合作者發(fā)現(xiàn)了長余輝發(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)生長余輝發(fā)光的機理，并制備出新一代柔性 X 射線成像設(shè)備，突破了傳統(tǒng) X 射線平板探測器的限制。

2 月 17 日，他們在?Nature?上發(fā)表了題為 “高分辨率 X 射線發(fā)光擴展成像技術(shù)” 的論文，對這一研究成果進行了介紹。

圖 |?Nature?相關(guān)論文截圖（來源：Nature）

論文發(fā)布之后，Nature?雜志也發(fā)表了述評：此項研究讓 X 射線成像技術(shù)有了較大突破，標志著中國在柔性 X 射線成像技術(shù)方面已經(jīng)進入國際先進行列。此外，這也將加速推動高端 X 射線成像設(shè)備實現(xiàn)國產(chǎn)化。

國內(nèi) X 射線設(shè)備并未實現(xiàn)完全自主化

“目前，我國高端 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?！?談及國內(nèi) X 射線影像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，陳秋水說道。

常見的 X 射線醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，比如平板探測器是通過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，將穿過目標物的 X 射線光子轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，從而實現(xiàn)目標物的數(shù)字化 X 射線成像。

“閃爍體是平板探測器的核心部件?！?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)為可見光，它的性能決定著整個設(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口。

一味地依賴進口就必然會導(dǎo)致被他國掣肘。對此，陳秋水表示：“進口高端醫(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)封鎖等問題?！?他隨后補充道：“現(xiàn)階段商用平板探測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^強的毒性，關(guān)鍵是核心制備技術(shù)一直被日本、歐洲國家所壟斷?！?/p>

面對外國的技術(shù)封鎖，自主創(chuàng)新研發(fā)是唯一出路，中國亟待研發(fā)出新型 X 射線成像閃爍體材料來實現(xiàn)破局。

稀土納米閃爍體長余輝材料是關(guān)鍵突破口

想要突破就需要對目前的技術(shù)瓶頸進行攻關(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 射線平板探測器不可缺少的材料，然而商業(yè)化的平板探測器不但體積龐大而且造價昂貴，關(guān)鍵是還有一個先天 “缺陷”—— 無法實現(xiàn)曲面以及不規(guī)則物體的三維成像。

近 30 年來，科學(xué)家們致力于研發(fā)出一種柔性 X 射線平板探測器，但開發(fā)柔性 X 射線平板探測器存在兩個關(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 射線平板探測器非常困難。

陳秋水研究團隊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、無色透明、分散性良好、余輝性能優(yōu)異等特點，從而制備出了新型的稀土納米閃爍體長余輝材料，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)勢明顯

長余輝發(fā)光指的是在激發(fā)光（紫外 – 可見光、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)小時的現(xiàn)象。比如，中國古代夜明珠是一種典型的硫化物長余輝材料。

“受激發(fā)電子儲存在晶體的缺陷態(tài)中，電子克服能量勢壘由缺陷態(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)的角度來解釋?！?陳秋水說表示。

由于長余輝材料具有獨特的發(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 – 讀取、高能輻射探測等諸多領(lǐng)域。然而這種材料也并非沒有缺點，“傳統(tǒng)長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。

針對這一問題，陳秋水團隊認為鹵化物晶格中的 “Frenkel” 缺陷和發(fā)光離子間的能量傳導(dǎo)，有望誘導(dǎo)產(chǎn)生長余輝現(xiàn)象。接下來，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)，對晶格缺陷的本質(zhì)展開深入研究。

通過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余輝材料。實驗證明，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)異的長余輝發(fā)光性能。

圖 | 稀土納米閃爍體長余輝的發(fā)光機理研究（來源：受訪者）

經(jīng)過多種表征手段，最終，研究團隊提出了基于高能量 X 射線光子誘導(dǎo)缺陷產(chǎn)生長余輝發(fā)光的機理，這項機理對于探索和合成新型鹵化物長余輝材料有指導(dǎo)意義。

在此基礎(chǔ)上，研究團隊將稀土納米閃爍體長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、無需電子電路、高分辨的柔性 X 射線成像設(shè)備，同時還開發(fā)了 X 射線發(fā)光擴展成像（Xr-LEI）新技術(shù)。

據(jù)了解，這項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的線對數(shù)量），相較于傳統(tǒng) X 射線平板探測器優(yōu)勢明顯。

圖 | 高分辨柔性 X 射線發(fā)光成像（來源：受訪者）

新型材料的應(yīng)用讓 X 射線成像設(shè)備更簡單、更微型

傳統(tǒng)平板探測器由于光電轉(zhuǎn)換過程極其復(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，而且對工作環(huán)境的要求也較為嚴苛。福州大學(xué)課題組發(fā)現(xiàn)的稀土納米閃爍體長余輝材料，克服了傳統(tǒng)剛性 X 射線平板探測器的固有限制，在設(shè)計原理和制備工藝上都開辟出全新的路徑。

他說：“當(dāng)以長余輝材料作為 X 射線能量存儲的介質(zhì)時，其光學(xué)記憶功能使 X 射線能量可以被保存下來，從而替代復(fù)雜的集成電路裝置?！?/p>

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

可以預(yù)見，基于稀土納米閃爍體長余輝材料的發(fā)現(xiàn)和使用，未來柔性 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)用價值，而柔性 X 射線設(shè)備也將會進一步簡單化和微型化，比如用手機拍攝 X 光片或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實。

非常值得一提的是，早在 5 年前，陳秋水便帶領(lǐng)研究團隊開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 年他們在全無機鈣鈦礦納米晶閃爍體和新型平板探測器的研究取得突破性進展，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（來源：Nature）

眼下，福州大學(xué)課題組已經(jīng)開展了下一項技術(shù)研究，他告訴 DeepTech，“目前，我們團隊正在開發(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。我希望能有更多國內(nèi)外同行加入到這個領(lǐng)域的研究隊伍中，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。在采訪的尾聲，陳秋水表達了對于未來的愿景：“我很幸運自己能為這個領(lǐng)域做了一點有益的工作，我期待這個研究成果有機會推向?qū)嶋H應(yīng)用并服務(wù)于社會?！?/p>

來源：麻省理工科技評論