钙钛矿计算机断层成像仪与三维重建

近日，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室魏浩桐教授团队在X射线成像技术领域取得重要进展，开发了基于钙钛矿材料的计算机断层成像(CT)阵列探测器。该探测器每个像素点响应均匀，在低至6.72 nGy剂量下也能维持高信噪比。在5.5 µSv的有效剂量下，探测器能重建出牙齿的细节和轮廓，比商业牙科CT使用的剂量低两个数量级。这种高灵敏度、低成本的探测器为低剂量医学成像技术的发展开辟了新的思路和方向。

研究成果以“Perovskite computed tomography imager and three-dimensional reconstruction”为题，于2024年8月16日发表于《Nature Photonics》上。

02研究背景

CT以非侵入式可视化人体组织、器官及病变的特点，在现代医学影像技术中占有重要地位。一次全身CT的有效剂量为8-20 mSv，而人体的安全辐射剂量为50 mSv/年，超过该剂量会增大患癌风险。因此短时间内不能多次进行CT检查，限制了诊断的有效性。大多数商用CT设备采用基于闪烁体的间接探测器，闪烁体将吸收的X射线转换为可见光，再由硅光电二极管捕获并转换成电子信号。该过程存在多次能量转换，会累积能量损失和噪声，导致图像对比度降低和所需X射线剂量增高。相比之下，直接探测技术通过直接将X射线光子转换成电信号来提高成像质量并降低辐射剂量，提供了一种解决方案。

目前，碲锌镉（CZT）作为直接探测材料，已经在光子CT技术中得到了实验验证。然而，CZT的主要挑战在于原材料价格高昂，且生长满足电子质量标准的大单晶技术复杂，只有极少数公司掌握了适用于CT的CZT晶体生长技术。

在这一背景下，铅卤钙钛矿材料因其成本低廉、工艺简便及优异的X射线灵敏度而在直接探测领域展现出巨大潜力。目前钙钛矿材料在直接数字化X射线摄影（DR）方向已有相关研究成果，但其在直接型CT成像技术中的应用尚未见报道。

03研究创新点

研究团队采用喷涂技术制作了厚度为980 m的钙钛矿厚膜，该膜结晶质量高，晶粒尺寸大于1 m。通过抛光处理后表面粗糙度仅为4.8 nm。该厚膜在高湿度环境下结构稳定，经过46天的XRD监测强度和峰型无变化。此外，该膜在不同区域的光电流分布非常均匀，光电流偏差都小于1%，且长时间稳定。

图1 钙钛矿厚膜的喷涂制备过程及其成品的表面形貌和长期稳定性。

基于该厚膜制备的探测器在2000 V cm-1电场强度下对X射线的灵敏度高达1.5 × 104 μC·Gyair?¹·cm?²，且响应时间仅为235 μs，满足CT成像的快速响应要求。在高电场和高剂量射线的极端环境中探测器经过两小时的来女婿工作，性能持久可靠，信号仅变化了1.2%。将探测器阵列化为21 × 21个像素，每个像素尺寸为0.8 mm，间隔为0.2 mm。该阵列所有像素点的响应信号一致性好，随着射线剂量的增加，信噪比显著增大。在仅6.72 nGy的低剂量下，信噪比能够达到16.8，为之后的低剂量CT成像奠定基础。

图2 钙钛矿器件的X射线探测性能和其阵列的响应一致性

研究团队搭建了一套实验室CT系统，使用钙钛矿探测器阵列对物体进行CT成像和三维重建。该系统能够对牙齿进行精确的三维成像，牙齿剂量为5.5 μSv，比商用牙科CT低了两个数量级。整套系统的检测效率达到了83%，噪声当量剂量仅为153 pGyair，探测量子效率在6.9 nGyair剂量下达到80%。能够分辨出灰度仅有细微差距的正常组织和病变组织是CT的重要指标，钙钛矿CT系统成功分辨出5 mm范围内5 HU的灰度差异，表现出与商用CT相媲美的低对比度检测能力。

图3 钙钛矿CT系统的三维成像能力、探测效率、噪声水平和低对比度检测能力。

04总结与展望

本工作展示了一种创新的钙钛矿CT成像系统，特点是成本低廉且有效剂量极低，能够进行精确的三维成像。该系统探测效率高，噪声水平低，能有效检测X射线并准确区分背景噪声和目标结构。尽管当前存在一些挑战，如数据采集速度受限，但未来的技术改进预计将进一步减少辐射暴露。此外，未来的研究将探索应用大尺寸单晶于低剂量、高分辨率的能量分辨成像，朝着更安全、更高效的成像技术迈进。

吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室魏浩桐教授为该文章的独立通讯作者，文章第一作者是吉林大学化学学院博士研究生何雨宏。该研究得到了国家自然科学基金委和吉林省科技发展计划项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01506-y