目前，CT成像技术主要基于闪烁体探测器，通过间接探测方式工作，存在能量损失和噪声累积，降低了成像灵敏度并增加了剂量。为了解决这一问题，直接探测技术是一种有效策略，它能直接将X射线转换为电子信号，从而减少能量损失和噪声。然而，目前有望用于CT的直接探测材料碲锌镉昂贵且难以制备。因此，探索新的高效、低成本的直接探测材料在CT中的应用具有重要价值。
近期，365体育超分子结构与材料国家重点实验室魏浩桐教授课题组研发了一种基于钙钛矿材料的直接探测CT仪。采用喷涂技术制作了厚度为980μm的钙钛矿厚膜，该膜结晶质量优异，晶粒尺寸大于1μm。通过抛光处理后表面粗糙度仅为4.8 nm。在高湿度环境下结构稳定，经过46天的XRD监测没有出现杂峰。此外，该膜在不同区域的光电流分布非常均匀（图1）。基于该膜制备的探测器在高电场强度下对X射线的灵敏度高达1.5 × 104μC·Gyair⁻¹·cm⁻²，且响应时间仅为235μs，满足CT成像的要求。在极端环境下探测器连续工作两小时，信号仅变化了1.2%，表现出优异的稳定性。将探测器阵列化，在不同剂量下，21 × 21像素阵列的响应信号一致性良好（图2）。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5.5μSv，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）。该工作近期以“Perovskite computed tomography imager and three-dimensional reconstruction”为题发表在国际著名期刊《365体育》上(NaturePhoton., 2024, 10.1038/s41566-024-01506-y)。365体育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365体育博士研究生何雨宏。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。
图1.a,钙钛矿层沉积的喷涂工艺示意图及表面扫描电子显微镜（SEM）图像。黑色标尺为2mm。b,钙钛矿膜的截面SEM图像。c,钙钛矿膜的原子力显微镜图像。d,钙钛矿膜在46天内的XRD谱图，表现出优异的结构稳定性。e,光电流成像结果，探测器在532 nm光激发下，不同区域的光电流分布均匀。红色标尺为1 mm。三个直方图展示了其相应的相对偏差。
图2.a,钙钛矿探测器在不同电场强度下的光电流密度与剂量率的线性关系。b,探测器在周期性X射线照射下的光电流响应，响应时间为235μs。c,探测器在高电场和高X射线剂量下的电流密度稳定性，测试持续120分钟，信号变化仅1.2%。d, 21 × 21像素阵列在不同剂量下的响应信号均匀性。
图3.a,钙钛矿CT系统示意图。b,被扫描牙齿的照片和三维重建图像。c,探测效率（DE）和电荷收集效率（CCE）随膜厚度的变化关系。d,噪声电流谱密度随剂量率的变化关系。e,探测量子效率（DQE）随X射线剂量的变化曲线。f，phantom模拟图，显示了phantom的尺寸和四个微孔区域。插图为原始照片。g，phantom切片的重建图像。h，重建图像中599 HU圆形区域的CT值变化。
原文链接：http://www.nature.com/articles/s41566-024-01506-y
通讯作者简介
魏浩桐，365体育超分子结构与材料国家重点实验室教授，博士生导师，海外高层次青年人才，长白山特聘领军人才，小米青年学者。主要从事高性能光电材料开发，智能光电探测及低剂量X射线CT成像。以第一作者和通讯作者在Nature Mater.(1篇),Nature Photon.(2篇),Nature Commun.(4篇),Sci. Adv.(1篇),Angew. Chem. Int. Ed.(1篇),Adv. Mater.(8篇)等国际知名学术期刊发表SCI论文40余篇。论文总被引用16000余次，H-因子40，在2022、2023年入选为科睿唯安高被引学者。主持国家自然科学基金委青年科学基金项目、面上项目等。担任《365体育》杂志编委、《365体育》杂志青年编委。其开发的首例高性能钙钛矿单晶X射线探测器、直接型钙钛矿CT成像仪，剂量较医用闪烁体低30～120倍，有潜力在医学X射线成像，海关、机场安全检查等领域开展广泛应用。
课题组主页：http://www.x-mol.com/groups/haotongwei
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