[发明专利]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

说明书

本发明公开了一种实现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。

技术领域

本发明属于X射线探测与成像技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明的目的在于，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。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种实现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。

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。

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。

作为上述第一方面的进一步优选，所述N优选为2～5。