手机将能拍X光片！福州大学团队研发出柔性X射线成像技术，曾两次登上Nature | 专访
图 | 牙周 X 射线成像（来源：Pixabay）
2018 年，有媒体曾列出 “卡住中国脖子的 35 项技术”，除了大家比较熟悉的航空发动机、光刻机、芯片等，这其中还包括医学影像设备元器件。
然而这一局面现在将有所改观。
据了解，福州大学杨黄浩、陈秋水教授课题组、新加坡国立大学刘小钢团队与合作者发现了长余辉发光的稀土氟化物纳米晶闪烁体，提出了高能量 X 射线光子诱导缺陷产生长余辉发光的机理，并制备出新一代柔性 X 射线成像设备，突破了传统 X 射线平板探测器的限制。
2 月 17 日，他们在 Nature 上发表了题为 “高分辨率 X 射线发光扩展成像技术” 的论文，对这一研究成果进行了介绍。
图 | Nature 相关论文截图（来源：Nature）
论文发布之后，Nature 杂志也发表了述评：此项研究让 X 射线成像技术有了较大突破，标志着中国在柔性 X 射线成像技术方面已经进入国际先进行列。此外，这也将加速推动高端 X 射线成像设备实现国产化。
国内 X 射线设备并未实现完全自主化
“目前，我国高端 X 射线医学影像设备以及关键元器件主要依赖于进口，自主研发高端 CT、DR 和 CR 设备的创新能力仍然有待于提升。” 谈及国内 X 射线影像技术的发展现状，陈秋水说道。
常见的 X 射线医学影像设备，比如平板探测器是通过一层闪烁体材料和一层高度像素化的非晶硅耦合薄膜晶体管（TFT）阵列，将穿过目标物的 X 射线光子转化为数字信号，从而实现目标物的数字化 X 射线成像。
“闪烁体是平板探测器的核心部件。” 陈秋水指出。X 射线影像设备中被称为 “光子晶片” 的闪烁体，其作用是将高能量 X 射线光子转为可见光，它的性能决定着整个设备的成像灵敏度和分辨率。然而，作为核心部件的这种高性能闪烁体材料目前绝大部分依靠进口。
一味地依赖进口就必然会导致被他国掣肘。对此，陈秋水表示：“进口高端医学影像设备及其关键元器件面临成本高以及核心技术封锁等问题。” 他随后补充道：“现阶段商用平板探测器普遍采用的是铊掺杂的碘化铯（CsI:Tl）或铽掺杂的硫氧化钆（Gd2O2S:Tb）闪烁体，这一类材料的制备工艺复杂且带有较强的毒性，关键是核心制备技术一直被日本、欧洲国家所垄断。”
面对外国的技术封锁，自主创新研发是唯一出路，中国亟待研发出新型 X 射线成像闪烁体材料来实现破局。
稀土纳米闪烁体长余辉材料是关键突破口
想要突破就需要对目前的技术瓶颈进行攻关。现阶段，薄膜晶体管阵列、非晶硅光电转换层和闪烁体是制造传统 X 射线平板探测器不可缺少的材料，然而商业化的平板探测器不但体积庞大而且造价昂贵，关键是还有一个先天 “缺陷”—— 无法实现曲面以及不规则物体的三维成像。
近 30 年来，科学家们致力于研发出一种柔性 X 射线平板探测器，但开发柔性 X 射线平板探测器存在两个关键技术壁垒：
其一，难以制备大面积高效的柔性薄膜晶体管阵列；
其二，传统微米级闪烁体材料不适合应用于柔性器件的制造。
这意味着以现阶段的技术想要制造出大面积、柔性的（薄膜晶体管阵列和非晶硅光电转换层）X 射线平板探测器非常困难。
陈秋水研究团队在稀土卤化物晶体中找到灵感，发现这种闪烁体具有尺寸易调控、无色透明、分散性良好、余辉性能优异等特点，从而制备出了新型的稀土纳米闪烁体长余辉材料，这让柔性 X 射线成像设备的制造成为可能。
柔性 X 射线成像设备研发成功，相较传统设备优势明显
长余辉发光指的是在激发光（紫外 – 可见光、X 射线、γ 射线等）停止以后，仍然可以持续发光数秒到数小时的现象。比如，中国古代夜明珠是一种典型的硫化物长余辉材料。
“受激发电子储存在晶体的缺陷态中，电子克服能量势垒由缺陷态缓慢地迁移至发光中心，产生发光的延迟，这是从光物理学的角度来解释。” 陈秋水说表示。
由于长余辉材料具有独特的发光性质，其被广泛地应用于夜间照明、生物医学、光信息存储 – 读取、高能辐射探测等诸多领域。然而这种材料也并非没有缺点，“传统长余辉材料存在高温煅烧余辉性能优异但形貌不可控和低温合成形貌可控但余辉性能不佳这一主要矛盾。” 他指出。
针对这一问题，陈秋水团队认为卤化物晶格中的 “Frenkel” 缺陷和发光离子间的能量传导，有望诱导产生长余辉现象。接下来，他们便结合同步辐射、热释光学曲线分析、电子顺磁共振表征以及光谱等技术，对晶格缺陷的本质展开深入研究。
通过选择合适的卤化物基质晶格、掺杂高效的稀土发光离子、巧妙地设计核壳结构，采取低温共沉淀法制备出高效的纳米闪烁体长余辉材料。实验证明，该粒子在激发光 X 射线关闭后可持续至少 30 天以上的发光，具有优异的长余辉发光性能。
图 | 稀土纳米闪烁体长余辉的发光机理研究（来源：受访者）
经过多种表征手段，最终，研究团队提出了基于高能量 X 射线光子诱导缺陷产生长余辉发光的机理，这项机理对于探索和合成新型卤化物长余辉材料有指导意义。
在此基础上，研究团队将稀土纳米闪烁体长余辉材料与柔性基质相结合，成功研制出了透明、可拉伸、无需电子电路、高分辨的柔性 X 射线成像设备，同时还开发了 X 射线发光扩展成像（Xr-LEI）新技术。
据了解，这项研究成果突破了传统 X 射线成像技术的极限，其成像空间分辨率大于 20 lp/mm（一毫米里可以分辨出来的线对数量），相较于传统 X 射线平板探测器优势明显。
图 | 高分辨柔性 X 射线发光成像（来源：受访者）
新型材料的应用让 X 射线成像设备更简单、更微型
传统平板探测器由于光电转换过程极其复杂，因此需要大量的集成电路协同工作，这便导致设备体积庞大、不易便携，而且对工作环境的要求也较为严苛。福州大学课题组发现的稀土纳米闪烁体长余辉材料，克服了传统刚性 X 射线平板探测器的固有限制，在设计原理和制备工艺上都开辟出全新的路径。
他说：“当以长余辉材料作为 X 射线能量存储的介质时，其光学记忆功能使 X 射线能量可以被保存下来，从而替代复杂的集成电路装置。”
得益于这种新型闪烁体，制造出来的柔性 X 射线成像设备具有便携、成本低、工艺简单、成像性能优异等众多优势，同时这也为制备新一代轻薄、便携、低成本的 X 射线探测器和成像装置提供了全新的思路。
可以预见，基于稀土纳米闪烁体长余辉材料的发现和使用，未来柔性 X 射线成像设备将在医学影像、工业探伤、高能物理等领域展现出一定的潜力和应用价值，而柔性 X 射线设备也将会进一步简单化和微型化，比如用手机拍摄 X 光片或将成为现实。
非常值得一提的是，早在 5 年前，陈秋水便带领研究团队开始聚焦高性能闪烁体纳米晶体的探索，并在 X 射线成像技术领域有所成就，2018 年他们在全无机钙钛矿纳米晶闪烁体和新型平板探测器的研究取得突破性进展，相关研究成果发表在 Nature 杂志上。
图 | 2018 年在 Nature 发表的论文截图（来源：Nature）眼下，福州大学课题组已经开展了下一项技术研究，他告诉 DeepTech，“目前，我们团队正在开发低成本纳米晶闪烁体制备方法、柔性薄膜加工工艺和图像读取设备。我希望能有更多国内外同行加入到这个领域的研究队伍中，培养出一批科研和技术人才。”
X 射线影像技术在很多领域均有广泛的应用，低剂量、高分辨、柔性的 X 射线成像技术是科研工作者、工业界共同追求的目标。在采访的尾声，陈秋水表达了对于未来的愿景：“我很幸运自己能为这个领域做了一点有益的工作，我期待这个研究成果有机会推向实际应用并服务于社会。”
来源：麻省理工科技评论
