一种实现X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构及成像设备制造技术

本发明专利技术公开了一种实现X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构及成像设备，属于X射线探测与成像技术领域。本发明专利技术把对X射线吸收系数不同、闪烁发光波段不同的闪烁体通过特殊的排列顺序堆叠形成多层复合结构，顶层闪烁体主要负责吸收低能X射线并发射最长波段的闪烁光，下一层主要吸收次高能量波段的X光子，并发出次短波长的光子，依此规律类推，最底层的闪烁体吸收最高能量X射线并产生最短波长的闪烁光子。本发明专利技术可以通过一次X射线照射就完成X射线光谱信息的读取和空间位置的成像，大大提升了成像速度、降低了成像所需射线剂量；避免了现有能量分辨探测器的固有缺陷“堆积效应”，可以在高通量X射线下正常使用；而且我们提出的方法可以很好地兼容目前成熟的硅基探测技术，比如基于晶硅的CMOS和基于非晶硅的TFT阵列。基于晶硅的CMOS和基于非晶硅的TFT阵列。基于晶硅的CMOS和基于非晶硅的TFT阵列。

【技术实现步骤摘要】
一种实现X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构及成像设备


[0001]本专利技术属于X射线探测与成像
，提供了一种能够低成本实现大面积X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构及成像设备。

技术介绍

[0002]目前广泛使用的X射线成像技术通过测量穿透物体的总X射线剂量来形成图像对比度，对于原子序数或者密度相似的材料，利用这种成像方法几乎难以区分。在0～200keV的能量范围内，X射线与物质的作用主要是由光电效应和康普顿散射决定，这两种作用都与X射线光子的能量密切相关，不同物质对X光子的吸收具有很强的能量依赖关系。在这种情况下，能谱分辨率可以将“颜色”信息添加到X射线图像中，可以帮助我们看清那些在能量积分型X射线灰度成像中无法看到的信息。
[0003]通过检测X射线中不同能量部分的衰减，能量分辨型X射线成像可以更精确实现物质检测并产生更好的图像对比度。能量分辨探测的主流技术目前依赖于光子计数，虽然这一技术目前在扫描式CT等高端设备中逐步开始临床试验，但它仍有许多缺陷限制了其在更多X射线影像设备上的广泛应用。首先，生长高质量的CZT单晶非常困难，目前可用于能谱CT的高质量CZT单晶，其制备工艺只被极少数公司掌握；其次，基于CZT的能量分辨探测器很容易受到“堆积效应”的影响，无法在高通量X射线下正常使用；再者，CZT单晶尺寸很小，每个CZT探测器单元都需要一个复杂的电路系统，因此其像素集成度很低，远远无法和高像素的硅基探测技术相比，因此无法在单次X光曝光的条件下一次性获得大面阵X射线成像，只能通过扫描的方式成像，这大大增加了成像时间和成像所需剂量。这类基于光子计数原理的能谱成像技术很难直接应用于目前广泛使用的大面积平板型X射线成像领域。目前市场上还没有可以实现高光谱、大面阵的FPXI设备和技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，针对上述缺乏行之有效、制作成本简单的大面阵X射线多能谱成像技术难题，提出了一种实现X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构及成像设备。
[0005]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种实现X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构，由N层闪烁体叠加而成，N≥2，其中不同层闪烁体对X射线的吸收能力不同，每一层闪烁体对应于一个主吸收能量段；所述叠层闪烁体结构适配的X射线源的能谱等分为N个能量段，所述N层闪烁体中从X射线入射侧朝向出射侧顺序计数的第n层闪烁体的主吸收能量段为所述能谱中能量从低到高顺序计数的第n个能量段，每一层闪烁体对其主吸收能量段的吸收能量占该层闪烁体对X射线总吸收能量的50％以上；所述N层闪烁体中，沿X射线入射侧朝向出射侧的各层闪烁体发出的闪烁光中心波长逐层单调递减，且任意两层闪烁体发出的闪烁光光谱相互重叠面积应满足在同一成像设备中成像时的区分度要求。
[0007]作为上述第一方面的优选，所述N层闪烁体的材料不同，各层闪烁体通过优化材料
层的厚度来调整对不同能量段的吸收率。
[0008]作为上述第一方面的进一步优选，对各层闪烁体的材料层厚度进行优化时，沿X射线入射侧朝向出射侧的顺序依次对第1层到第N层闪烁体进行厚度计算；其中，计算任意第n层闪烁体的厚度时，利用朗伯比尔定律和第n层闪烁体材料对不同能量X射线的吸收系数曲线，计算出使得第n层闪烁体对第n个能量段X射线的吸收能量占该层闪烁体对X射线总吸收能量的50％以上。
[0009]作为上述第一方面的进一步优选，所述N优选为2～5。
[0010]作为上述第一方面的优选，所述任意两层闪烁体发出的闪烁光光谱相互重叠面积在各自闪烁光光谱面积中的占比应小于20％。
[0011]作为上述第一方面中任一方案的进一步优选，所述N＝2，从X射线入射侧朝向出射侧顺序计数，第1层闪烁体的材料为C4H
12
NMnCl3，对应的主吸收能量段为0～30keV，对应发出的闪烁光为红光，第2层闪烁体材料为Cs3Cu2I5，对应的主吸收能量段为30～60keV，对应发出的闪烁光为蓝光。
[0012]作为上述第一方面中任一方案的进一步优选，所述N＝3，从X射线入射侧朝向出射侧顺序计数，第1层闪烁体的材料为C4H
12
NMnCl3，对应的主吸收能量段为0～20keV，对应发出的闪烁光为红光，第2层闪烁体材料为(C8H
20
N)2MnBr4，对应的主吸收能量段为20～40keV，对应发出的闪烁光为绿光，第3层闪烁体材料为Cs3Cu2I5，对应的主吸收能量段为40～60keV，对应发出的闪烁光为蓝光。
[0013]作为上述第一方面中任一方案的进一步优选，所述N＝4，从X射线入射侧朝向出射侧顺序计数，第1层闪烁体的材料为FAPbI3，对应的主吸收能量段为0～15keV，对应发出的闪烁光为近红外光，第2层闪烁体材料为C4H
12
NMnCl3，对应的主吸收能量段为15～30keV，对应发出的闪烁光为红光，第3层闪烁体材料为(C8H
20
N)2MnBr4，对应的主吸收能量段为30～45keV，对应发出的闪烁光为绿光，第4层闪烁体材料为Cs3Cu2I5，对应的主吸收能量段为45～60keV，对应发出的闪烁光为蓝光。
[0014]第二方面，本专利技术提供了一种X射线多能谱成像设备，包括X射线源、闪烁体模块、光谱成像模块，所述闪烁体模块采用如第一方面任一方案所述的叠层闪烁体结构，所述光谱成像模块设置于所述叠层闪烁体结构的X射线出射方向正后方，用于同时记录各层闪烁体发出的不同波长的闪烁光。
[0015]作为上述第二方面的优选，所述光谱成像模块为硅基多光谱相机或高光谱相机。
[0016]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0017]本专利技术采用多层闪烁体叠加的复合结构实现X射线多能谱成像，具有成本和工艺简单的优点。本专利技术中基于叠层闪烁体结构构建的X射线多能谱成像设备，可以通过一次X射线照射就完成X射线光谱信息的读取和空间位置的成像，大大提升了成像速度、降低了成像所需射线剂量。本专利技术避免了现有能量分辨探测器的固有缺陷“堆积效应”，可以在高通量X射线下正常使用；而且可以很好地兼容目前成熟的硅基探测技术。
附图说明
[0018]图1为双层闪烁体各层的闪烁光光谱图。
[0019]图2为双层闪烁体上下层对不同能量X射线的吸收图。
[0020]图3为双层闪烁体结构的示意图和成像效果图。
[0021]图4为三层闪烁体各层的闪烁光光谱图。
[0022]图5为三层闪烁体结构的示意图和成像效果图。
[0023]图6为四层闪烁体各层的闪烁光光谱图。
[0024]图7为四层闪烁体结构的示意图和成像效果图。
具体实施方式
[0025]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术。但是本专利技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构，由N层闪烁体叠加而成，N≥2，其中不同层闪烁体对X射线的吸收能力不同，每一层闪烁体对应于一个主吸收能量段；所述叠层闪烁体结构适配的X射线源的能谱等分为N个能量段，所述N层闪烁体中从X射线入射侧朝向出射侧顺序计数的第n层闪烁体的主吸收能量段为所述能谱中能量从低到高顺序计数的第n个能量段，每一层闪烁体对其主吸收能量段的吸收能量占该层闪烁体对X射线总吸收能量的50％以上；所述N层闪烁体中，沿X射线入射侧朝向出射侧的各层闪烁体发出的闪烁光中心波长逐层单调递减，且任意两层闪烁体发出的闪烁光光谱相互重叠面积应满足在同一成像设备中成像时的区分度要求。2.如权利要求1所述的实现X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构，其特征在于，所述N层闪烁体的材料不同，各层闪烁体通过优化材料层的厚度来调整对不同能量段的吸收率。3.如权利要求2所述的实现X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构，其特征在于，对各层闪烁体的材料层厚度进行优化时，沿X射线入射侧朝向出射侧的顺序依次对第1层到第N层闪烁体进行厚度计算；其中，计算任意第n层闪烁体的厚度时，利用朗伯比尔定律和第n层闪烁体材料对不同能量X射线的吸收系数曲线，计算出使得第n层闪烁体对第n个能量段X射线的吸收能量占该层闪烁体对X射线总吸收能量的50％以上。4.如权利要求2所述的实现X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构，其特征在于，所述N优选为2～5。5.如权利要求1所述的实现X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构，其特征在于，所述任意两层闪烁体发出的闪烁光光谱相互重叠面积在各自闪烁光光谱面积中的占比应小于20％。6.如权利要求1～5任一所述的实现X射线多能谱成像的叠层闪烁体结构，其特征在于，所述N＝2，从X射线入射侧朝向出射侧顺序计数，第1层闪烁体的材料为C4H
12
NMnCl3，对应的主吸收能量段为0～30...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨旸，冉鹏，杨禄荣，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：