导读

在X射线成像领域，提升能量分辨率对于精确诊断和材料分析极为关键。近日，美国麻省理工学院Charles Roques-Carmes、斯坦福大学Shanhui Fan等多个机构联合团队报道了基于多层多色闪烁体实现增强X射线成像能量分辨率的成果。研究者们通过设计三层多色闪烁体并结合物理感知图像后处理算法，实现了高效的能量分辨X射线成像。该文章发表于国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上，题为“End-to-end design of multicolor scintillators for enhanced energy resolution in X-ray imaging”，Charles Roques-Carmes为论文的通讯作者，Seokhwan Min为论文的第一作者。

这项研究成果不仅在理论上为X射线成像能量分辨率的提升提供了全新的原理和方法，揭示了多色闪烁体编码和提取X射线能量信息的机制，而且在实际应用中展现出巨大的潜力。其有望广泛应用于医学诊断、放射治疗成像、材料识别等多个领域，推动相关产业的技术创新，助力实现更精准、高效的X射线成像。

研究背景

随着医疗和科研领域对X射线成像技术需求的不断攀升，尤其是在精准诊断和材料成分分析方面对高分辨率成像的严格要求，传统X射线成像技术正面临严峻挑战。现有的能量分辨X射线成像方法，如K边缘减法、双源成像和光子计数探测器等，在实际应用中暴露出诸多问题。例如，K边缘减法要求使用单色X射线，这与临床环境不兼容；双源成像需要对硬件进行大量修改或延长图像采集时间来切换源电压；光子计数探测器由于所需的电子电路限制了像素尺寸，且成本高昂。这些问题严重阻碍了X射线成像技术在实际场景中的高效应用，使得开发新型、更有效的X射线成像技术成为亟待解决的问题。

多层多色闪烁体技术利用不同层闪烁体对特定能量X射线的吸收和发射不同颜色光的特性，为X射线能量分辨成像带来了新的希望。通过波长复用和特定层对X射线吸收的能量依赖性隔离，该技术能够保留X射线能量信息，在提升成像能量分辨率方面展现出巨大潜力。

创新研究

研究团队创新性地提出基于多层多色闪烁体的能量分辨X射线成像框架（如图1）。通过设计由ZnSe:Te、Gadox:Tb和NaI:Tl构成的三层闪烁体堆栈，将16 -67 keV的能量范围划分为三个能量区域，各层分别吸收特定能量区域的X射线。这种设计利用不同能量X射线在各层的吸收差异，结合闪烁体发射光的颜色信息，实现对X射线能量的有效分辨。该方法摆脱了传统能量分辨成像技术对复杂硬件或特殊光源的依赖，与传统X射线管和探测器完全兼容，显著提高了X射线成像的能量分辨率，为医学成像和材料识别提供了更高效的手段。

图1.使用多色闪烁体进行能量重建过程的示意图。

在闪烁体设计过程中，研究人员运用独特的材料选择和优化方法（如图2）。根据各层对X射线吸收和透射的不同需求，精准挑选具有特定K边缘能量和衰减系数特性的闪烁体材料。同时，优化各层厚度，在满足对不同能量X射线吸收要求的前提下，尽量减小闪烁体堆栈的整体厚度。通过这种精确的材料选择和厚度优化，解决了以往研究中难以在有限厚度内实现高效能量分辨的问题，为多层多色闪烁体的实际应用奠定了坚实基础。

图2. 能量分辨多色闪烁体的工作原理。

研究团队还引入物理感知的图像后处理算法，并结合纳米光子学技术提升成像性能（如图3、图4）。后处理算法依据探测器获取的闪烁光斑颜色、半径等信息，结合X射线吸收深度与能量的关系，更准确地推断入射X射线的能量。此外，通过在闪烁体下方放置纳米光子角滤波器，有效减小探测器上的光斑尺寸，提高了成像系统对高X射线通量密度的处理能力，减少了闪烁光子的重叠，提升了聚类精度。这种算法与纳米光子技术的结合，突破了传统成像技术在能量分辨率和成像精度上的限制，显著提升了X射线成像的质量和可靠性（见Results）。

图3. 能量和图像重建精度指标。

图4. 使用纳米光子角滤波器提高X 射线光子通量。

总结与展望

研究团队成功构建了基于多层多色闪烁体的能量分辨X射线成像框架，通过精心设计三层闪烁体堆栈及配套的物理感知图像后处理算法，有效提升了X射线成像的能量分辨率。研究表明，该多层多色闪烁体在能量重建方面精度可达49.7%，与理论上限仅相差2%，且在医学体模成像模拟中能有效区分不同的对比剂和组织。此外，纳米光子角滤波器的引入进一步优化了成像性能，提高了系统对高X射线通量的处理能力。但目前该技术仍存在一些局限，如受材料限制无法进一步优化中间能量的吸收，探测器获取信息存在不确定性等。

未来，在技术优化上，一方面可探索更多新型闪烁体材料，寻找能更好满足各层对X射线吸收和发射特性要求的材料组合，以进一步提高能量分辨率；另一方面，改进探测器技术，降低因颜色和半径信息不确定性对成像的影响，提升成像的准确性。在应用拓展方面，该技术有望在医学领域实现更精准的疾病诊断，如早期癌症检测等；在材料科学中，更精确地识别材料成分和结构。从行业发展来看，此研究成果可为X射线成像相关产业提供新的技术方向，推动医疗设备和材料分析仪器的升级换代，促进相关产业的技术创新和发展。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01836-8