[發明專利]一種實現X射線多能譜成像的疊層閃爍體結構及成像設備

在審

• 申請號: 202210553737.0
• 申請日: 2022-05-20
• 公開（公告）號: CN115061183A
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 楊旸;冉鵬;楊祿榮
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01T1/20
• 分類號: G01T1/20;G01N23/087;G01N23/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

本發明公開了一種實現X射線多能譜成像的疊層閃爍體結構及成像設備，屬于X射線探測與成像技術領域。本發明把對X射線吸收系數不同、閃爍發光波段不同的閃爍體通過特殊的排列順序堆疊形成多層復合結構，頂層閃爍體主要負責吸收低能X射線并發射最長波段的閃爍光，下一層主要吸收次高能量波段的X光子，并發出次短波長的光子，依此規律類推，最底層的閃爍體吸收最高能量X射線并產生最短波長的閃爍光子。本發明可以通過一次X射線照射就完成X射線光譜信息的讀取和空間位置的成像，大大提升了成像速度、降低了成像所需射線劑量；避免了現有能量分辨探測器的固有缺陷“堆積效應”，可以在高通量X射線下正常使用；而且我們提出的方法可以很好地兼容目前成熟的硅基探測技術，比如基于晶硅的CMOS和基于非晶硅的TFT陣列。

技術領域

本發明屬于X射線探測與成像技術領域，提供了一種能夠低成本實現大面積X射線多能譜成像的疊層閃爍體結構及成像設備。

背景技術

目前廣泛使用的X射線成像技術通過測量穿透物體的總X射線劑量來形成圖像對比度，對于原子序數或者密度相似的材料，利用這種成像方法幾乎難以區分。在0～200keV的能量范圍內，X射線與物質的作用主要是由光電效應和康普頓散射決定，這兩種作用都與X射線光子的能量密切相關，不同物質對X光子的吸收具有很強的能量依賴關系。在這種情況下，能譜分辨率可以將“顏色”信息添加到X射線圖像中，可以幫助我們看清那些在能量積分型X射線灰度成像中無法看到的信息。

通過檢測X射線中不同能量部分的衰減，能量分辨型X射線成像可以更精確實現物質檢測并產生更好的圖像對比度。能量分辨探測的主流技術目前依賴于光子計數，雖然這一技術目前在掃描式CT等高端設備中逐步開始臨床試驗，但它仍有許多缺陷限制了其在更多X射線影像設備上的廣泛應用。首先，生長高質量的CZT單晶非常困難，目前可用于能譜CT的高質量CZT單晶，其制備工藝只被極少數公司掌握；其次，基于CZT的能量分辨探測器很容易受到“堆積效應”的影響，無法在高通量X射線下正常使用；再者，CZT單晶尺寸很小，每個CZT探測器單元都需要一個復雜的電路系統，因此其像素集成度很低，遠遠無法和高像素的硅基探測技術相比，因此無法在單次X光曝光的條件下一次性獲得大面陣X射線成像，只能通過掃描的方式成像，這大大增加了成像時間和成像所需劑量。這類基于光子計數原理的能譜成像技術很難直接應用于目前廣泛使用的大面積平板型X射線成像領域。目前市場上還沒有可以實現高光譜、大面陣的FPXI設備和技術。

發明內容

本發明的目的在于，針對上述缺乏行之有效、制作成本簡單的大面陣X射線多能譜成像技術難題，提出了一種實現X射線多能譜成像的疊層閃爍體結構及成像設備。

本發明所采用的具體技術方案如下：

第一方面，本發明提供了一種實現X射線多能譜成像的疊層閃爍體結構，由N層閃爍體疊加而成，N≥2，其中不同層閃爍體對X射線的吸收能力不同，每一層閃爍體對應于一個主吸收能量段；所述疊層閃爍體結構適配的X射線源的能譜等分為N個能量段，所述N層閃爍體中從X射線入射側朝向出射側順序計數的第n層閃爍體的主吸收能量段為所述能譜中能量從低到高順序計數的第n個能量段，每一層閃爍體對其主吸收能量段的吸收能量占該層閃爍體對X射線總吸收能量的50％以上；所述N層閃爍體中，沿X射線入射側朝向出射側的各層閃爍體發出的閃爍光中心波長逐層單調遞減，且任意兩層閃爍體發出的閃爍光光譜相互重疊面積應滿足在同一成像設備中成像時的區分度要求。

作為上述第一方面的優選，所述N層閃爍體的材料不同，各層閃爍體通過優化材料層的厚度來調整對不同能量段的吸收率。

作為上述第一方面的進一步優選，對各層閃爍體的材料層厚度進行優化時，沿X射線入射側朝向出射側的順序依次對第1層到第N層閃爍體進行厚度計算；其中，計算任意第n層閃爍體的厚度時，利用朗伯比爾定律和第n層閃爍體材料對不同能量X射線的吸收系數曲線，計算出使得第n層閃爍體對第n個能量段X射線的吸收能量占該層閃爍體對X射線總吸收能量的50％以上。

作為上述第一方面的進一步優選，所述N優選為2～5。