仪器情报，科学家在低剂量钙钛矿CT成像技术中取的新突破！

【科学背景】

随着医学成像技术的不断进步，计算机断层扫描（CT）因其提供高分辨率的内部结构可视化而引起了广泛关注。CT成像以其非侵入性和快速成像能力成为了临床诊断的重要工具。然而，传统的间接闪烁体CT成像存在图像对比度降低和高剂量X射线暴露的问题，这主要是由于光损失和多步骤能量转换所致。

间接闪烁体CT使用如氧化钇镓（YGO）、硅酸镓（GOS）等材料，这些材料通过将X射线转换为紫外–可见光子，再由硅光电二极管转换为电子信号。然而，这种多步骤的能量转换不仅导致了显著的能量损失，还引入了统计噪声。闪烁体的固有特性，如光子散射、自吸收和余辉效应，进一步加剧了这些问题。这些挑战导致了图像对比度的下降和X射线剂量的增加，患者因此可能暴露于较高的辐射风险。

为了解决这些问题，研究者们探索了直接检测技术，这种方法直接将X射线光子转换为电子信号，从而避免了多步骤转换带来的噪声和能量损失。然而，开发直接CT成像器的主要挑战在于找到合适的材料，现有的如镉锌碲（CZT）虽然已被应用，但其高成本和复杂的晶体生长技术限制了其广泛应用。

近年来，铅卤化物钙钛矿作为一种新兴材料在X射线探测领域显示出了强大的潜力。钙钛矿探测器具有优异的X射线灵敏度和高检测量子效率（DQE），且材料成本低，制备方法简单。然而，尽管钙钛矿在低剂量数字放射成像中表现出色，迄今为止，关于其在CT成像中的应用还没有得到充分的研究。

针对这些挑战，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室魏浩桐教授团队在“Nature Photonics”期刊上发表了题为“Perovskite computed tomography imager and three-dimensional reconstruction”的最新论文。本文介绍了一种通过低成本喷涂工艺制备的直接铅卤化物钙钛矿CT成像仪。作者开发的探测器阵列具有980 μm的吸收层厚度和小于10 nm的表面粗糙度，显示出均匀的X射线响应，其检测量子效率达到80%，噪声等效剂量为153 pGyair。该成像仪在有效剂量仅为5.5 μSv的条件下成功实现了牙齿的三维重建，这比传统牙科锥形束CT的剂量低约两个数量级，并且能够在5 mm的感兴趣区域内解析5 Hounsfield单位的低对比度检测。通过这种新型钙钛矿CT成像技术，作者解决了传统CT成像中存在的图像对比度低和辐射剂量高的问题，提供了一种更安全、有效的成像解决方案。

【科学亮点】

（1）实验首次开发了基于铅卤化物钙钛矿的直接检测CT成像仪，并采用了低成本喷涂工艺。该设备的探测器阵列具有980 μm的吸收层厚度和小于10 nm的表面粗糙度，显示了80%的检测量子效率和153 pGyair的噪声等效剂量。

（2）实验通过直接检测模式，实现了在有效剂量仅为5.5 μSv的情况下对牙齿进行三维重建，这比传统的牙科锥形束CT的剂量低约两个数量级。

（3）此外，该成像仪能够在5 mm的感兴趣区域内分辨5 Hounsfield单位的低对比度差异，显示出与商业闪烁体CT相当的低对比度检测能力。这些结果表明，钙钛矿CT成像仪在降低X射线剂量的同时，能有效提高成像对比度，为未来医疗成像技术的发展提供了新的方向。

【科学图文】

图1：  钙钛矿计算机断层扫描computed tomography，CT成像仪的实现。

图2：喷涂钙钛矿厚膜的制备、均匀性和稳定性。

图3：钙钛矿阵列的器件性能。

图4: 钙钛矿计算机断层扫描CT成像仪的性能。

【科学启迪】

本文研究表明，钙钛矿材料的应用可以显著提高CT成像的对比度和降低有效剂量，这对于提高医疗影像的安全性和精确度具有重要意义。具体而言，通过低成本的喷涂工艺制备的直接钙钛矿CT成像仪，在仅5.5 μSv的有效剂量下成功实现了牙齿的三维重建，并能够在5 mm的感兴趣区域内分辨出5 Hounsfield单位的低对比度细节，这相较于传统牙科锥形束CT有显著的剂量减少。

其次，研究突显了探测器阵列在提高X射线探测效率方面的优势，具备80%的检测量子效率和153 pGyair的噪声等效剂量。这表明，钙钛矿材料能够有效减少光损失和多重能量转换带来的噪声，从而提供更高质量的成像结果。

最后，本文指出了当前面临的挑战，包括数据采集速度的限制，并提出了未来的研究方向，如集成大面积单晶钙钛矿层，进一步提升低剂量性能和空间分辨率。这些进展有望推动钙钛矿CT成像技术在医疗领域的广泛应用，促进更安全、高效的医学成像技术的发展。

参考文献：He, Y., Song, J., Li, M. et al. Perovskite computed tomography imager and three-dimensional reconstruction. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01506-y