新型X射线成像闪烁体材料的定量检测与综合评价方法技术

本发明专利技术公开了一种用于X射线闪烁体新型材料的成像特性定量检测与综合评价方法，具体针对新型钙钛矿基纳米晶体材料，利用高亮度且能量连续可调的同步辐射X射线成像装置，设计出一套实用、客观、全面、准确的检测光路，以及数据采集与处理、定量计算方法，有效实现了新材料用于X射线成像闪烁体综合客观评价目标。该检测技术包括：检测光路设计与搭建；新材料闪烁体的制备与安装；高分辨数据采集与处理；新材料发光效率计算方法；采用图像MTF函数与衬度噪声比综合评价成像分辨率和灵敏度等技术步骤。该新型检测技术具有普适性，可用于不同能量X射线发光功能材料特性的综合定量检测与评价。

【技术实现步骤摘要】
新型X射线成像闪烁体材料的定量检测与综合评价方法
本专利技术属于X射线成像闪烁体定量检测与评价，具体涉及新型钙钛矿纳米晶体材料用于X射线成像闪烁体的检测光路设计、参数调节、数据采集与处理、光致发光效率计算、成像质量综合评价的全周期技术方法及应用。
技术介绍
近年来，随着X射线探测器和新型光源技术的发展，特别是20世纪90年代第三代同步辐射光源的投入使用，把X射线成像带到一个全新的高度。同步辐射装置由电子直线加速器、增强器、储存环、光束线站等部分组成，电子经直线加速器加速后进入增强器环线加速后达到预定能量，被注入到带有弯转磁铁及各种插入件的储存环后，这时电子束沿其圆周运动的切线方向向外发射出同步辐射光。同步辐射光具有高亮度、宽频谱范围且可连续调节（覆盖红外至伽马射线等）、高准直性、高偏振性、高相干性等优点。尤其，其高亮度且能量连续可调的X射线是探测物质微观结构的有力工具，如已成为材料科学、生物医学、环境能源、物理、化学等众多学科基础研究和高技术开发应用的新型光源。X射线探测器是成像系统核心设备，主要由前端闪烁体（Scintillator）、光学聚焦系统（Cameralens）、光耦传感器（CCD或CMOS芯片）等组成。其中，闪烁体将X射线转化成可见光参与成像，闪烁体材料必须具备X射线光致发光特性，即它是一种吸收高能粒子（千电子伏，如X射线、γ射线等）并将其转换为低能光子（如可见光、紫外线等）的材料，属于X射线探测器的关键元件，可应用于医学成像、无损检测、安全检查、放射性防护、天体物理、地质勘探、核物理、高能物理研究等。目前，闪烁体材料种类很多，从化学成分可分为有机闪烁体和无机闪烁体；从物理形态可分为固体、液体和气体。常见无机闪烁体有NaI(TI)、CsI(TI)、YAlO3(Ce)、Bi4GeO12、Gd2O2S(Tb)等，虽然这些块状晶体可以有效进行X射线测试，但制备条件苛刻、价格昂贵。本技术针对新型无机闪烁体材料，采用温和热注入溶液法制备厚度可控的立方形钙钛矿纳米晶体（CsPbX3，其中X=Br、Cl、I）平均尺寸为9.6nm，弛豫时间10ns，得益于卤化银量子点的高发射量子效率，该材料具有良好的荧光潜力，且量子点性能优于块状材料，不存在激子限制。因此，需要设计出一套实用完善的定量检测方法，来综合表征该类钙钛矿纳米晶体的闪烁体性能，尤其定量评价其在成像方面的低辐照剂量和高信噪比特点。综上所述，随着各领域对辐射探测材料的需求不断增加，针对新型闪烁体材料的定量检测和综合评价也显得越来越重要，将进一步推动纳米发光材料在新兴领域中的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供了一种基于新型无机钙钛矿纳米晶体材料的同步辐射高精度X射线成像闪烁体的定量检测方法，以提高对该类荧光材料的客观、综合评价水平，满足新型无机钙钛矿材料应用于X射线成像闪烁体方面的迫切需求。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下的技术方案：同步辐射X射线同轴成像检测光路设计、数据采集与处理、荧光转换效率计算、分辨率与灵敏度综合评价分析，包括如下步骤：（1）同步辐射X射线同轴成像检测光路设计：利用上海同步辐射光源X射线成像装置，设计并搭建用于新型无机钙钛矿X射线闪烁体材料定量评价的同步辐射X射线成像特性的检测光路，该检测光路设计具有结构简单、操作方便且分辨率高特点，如图1所示。根据新型钙钛矿基X射线闪烁体的荧光特性，引入高亮度宽光谱同步辐射光，通过调节双晶能量选择器可获得8-72.5KeV能量范围的高准直单色硬X射线输出，可通过辐照电离室计算入射X射线光子通量，从分辨率测试靶（固定在测试样品台上）出射X射线经闪烁体转化的荧光，由光学系统聚焦进入X射线高分辨探测器成像单元（CMOS/CCD）获得样品图像。其中，将所设计的包含闪烁体材料薄膜与光路耦合器件的镜头盖安装在X射线探测器光学系统的入瞳处，如图2所示。将出射X射线光子转换成可见光成像，并通过电离室电流、曝光时间和图像采集计算出该闪烁体材料的发光效率，并进一步实现综合像质评价。此外，该检测系统亦可通过测试工作台1800的旋转投影扫描和滤波反投影重构算法，获取测试样品显微CT的三维检测信息。（2）数据采集与预处理：调节不同能量的入射X射线作用到样品上，并记录电离室电流强度（ionizationcurrent：A）、图像采集的曝光时间（exposuretime：sec），分别采集分辨率靶或样品图像信号（tomo：5幅），背景光强图像信号（flat，5幅），关闭光闸后采集探测器暗电流噪声的图像信号（dark，5幅），按图像预处理公式（1）对所采集图像信号进行降噪和背景校正处理，用于后续定量分析：(1)其中，BG_Correction为校正后信号，Itomo为样品信号强度，Iflat为背景光信号强度，Idark为暗电流噪声强度。（3）荧光转换效率计算：首先，计算检测光路中的入射X射线光子通量，推导出具体计算公式（2）：(2)其中，w为电离室中气体的电离能，对空气为Wair=33.97eV，E为X射线能量（或波长）(eV)，e为电子电量(1.602*10-19C)，i为电离室电流(A);为电离室介质线性吸收系数(cm-1);l为电离室长度；然后，利用ImageJ图像软件选择“RectangleROI”，计算出光斑大小（mm2），除以光斑大小，即得到入射X射线光子通量密度(phs/sec/mm2)；然后，利用ImageJ图像软件选择“HistogramDisplay”，可以计算实际的图像信号：ADCreal＝ADCflat－ADCdark，再除以exposuretime得到(ADCreal/sec)，再除以光斑大小，即得到实际图像信号的通量密度（ADCreal/sec/mm2）；然后计算出探测器的转换增益为(ADCreal/sec)÷n(phs/sec)＝ADCreal/photon；最后，根据电偶探测器COMS或CCD的技术参数e-/ADC，即可计算出该闪烁体材料的X射线荧光转换效率（efficiency：e-/photon），即：所产生的转化电子与入射X射线光子的比率（e-/photon）。（4）定量综合评价：首先，根据步骤（2）所获得的分辨率靶的图像预处理结果，结合调制度传递函数（mudulationtransferfunction:MTF），利用ImageJ图像软件选择“PlotProfile”计算不同空间分辨率图像的极值，再采用公式（3）计算出不同空间频率的调制度传递函数值，并绘制其MTF曲线；(3)其中，MTF表示调制度函数，minput和moutput表示调制度，Imax为某空间频率图像最大强度，Imin为某空间频率图像最小强度；另外，根据步骤（2）所获得的分辨率靶的图像预处理结果，采用公式（4）计算图像的对比度信噪比（contrasttonoiseratio:CNR）。(4)其中，GV为利用ImageJ图像软件选择“RectangleROI”所计算出相应区域的平均像素值，为标准差，RoI为样品本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.新型同步辐射X射线闪烁体材料的成像特性定量检测光路与器件设计，包括如下部分：/n（1）设计同步辐射X射线同轴成像光路图，用于数据采集系统的实现（如图1）；/n（2）设计闪烁体材料薄膜与光路耦合器件，用于采集X射线与闪烁体材料相互作用前后的光子信号（如图2）。/n

【技术特征摘要】
1.新型同步辐射X射线闪烁体材料的成像特性定量检测光路与器件设计，包括如下部分：
（1）设计同步辐射X射线同轴成像光路图，用于数据采集系统的实现（如图1）；
（2）设计闪烁体材料薄膜与光路耦合器件，用于采集X射线与闪烁体材料相互...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘慧强，秦华，魏功祥，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37