新型可拉伸 X 射线探测器 “成像皮肤”：术中肿瘤成像的新希望

为解决传统刚性平板 X 射线探测器在医学成像中的局限，如难以对 3D 物体成像、无法贴合复杂结构等问题，研究人员开展了新型可拉伸 X 射线探测器 “成像皮肤” 的研究。结果表明其具有良好线性度，空间分辨率达 1.16 - 1.42 lp/mm，为术中成像带来新可能。

　　在医学成像领域，X 射线成像自被发现以来，一直发挥着至关重要的作用。然而，传统的 X 射线探测器通常是刚性且平板状的，这使得它们在面对复杂的三维物体和人体器官结构时，显得力不从心。比如，在进行术中肿瘤成像时，由于无法紧密贴合器官表面，不仅成像分辨率受限，而且为了获取清晰图像，往往需要较高的辐射剂量，这对患者的健康存在潜在风险。同时，现有的术中成像技术，如 CT、MRI 和超声等，也各自存在缺陷。CT 和 MRI 设备庞大，不便于术中使用，且 CT 辐射剂量高，MRI 成本高、成像速度慢；超声虽然实时且便携，但成像分辨率有限，还高度依赖操作人员的经验。因此，开发一种能够克服这些问题的新型 X 射线探测器迫在眉睫。
伦敦大学学院（University College London）的研究人员开展了一项关于新型可拉伸 X 射线探测器的研究，该探测器由硅橡胶（silicone elastomer）和氧化钆硫（GOS:Tb）组成，被称为 “成像皮肤”（imaging skins）。他们将这种探测器集成到定制的 X 射线系统中，使其能够将辐射转化为可见光，从而实现成像。研究结果意义重大，为下一代可拉伸 X 射线探测器的发展奠定了基础，有望为术中实时、高分辨率成像带来新的解决方案，提高肿瘤可视化效果，提升微创手术的精度，减少对术前和术后成像的依赖。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。首先，构建了定制的 X 射线检测系统，包括 X 射线源、作为辐射转换器的成像皮肤以及用于记录成像皮肤发光的科学相机。其次，使用 RaySafe Solo R/F 剂量计测量到达成像皮肤的有效剂量。然后，通过调整管电压、电流等参数，利用 5.0 MP 单色 CMOS 相机采集数据。最后，采用暗场减法、平场校正等图像预处理方法，以及计算信号转移特性（STP）、边缘空间频率响应（e - SFR）等指标来评估成像质量。
研究结果主要体现在以下几个方面：

1. 信号传递特性（STP）：通过测量不同辐射剂量下的平均像素值（MPV）来评估 STP。结果显示，STP 曲线呈现出近乎完美的线性关系，决定系数（R2）大于 0.99998。这表明使用硅橡胶作为闪烁体的基底不会影响 X 射线到可见光子转换的线性度，为新型 X 射线传感器的发展提供了重要依据。
2. 成像皮肤厚度和基底与磷光体比例：研究发现，增加成像皮肤的厚度和磷光体浓度并不一定会导致更高的 STP 斜率。对于低能量 X 射线应用，较厚的闪烁体可能会导致更低的光输出。这是因为 X 射线光子在穿透一定厚度的材料后，无法继续激发磷光体产生可见光子，而且部分产生的光可能会被成像皮肤自身重新吸收。因此，在选择成像皮肤厚度时，需要综合考虑制造难度和传感器操作等因素。
3. 边缘空间频率响应（e - SFR）：计算 e - SFR 以评估成像系统的分辨率和对比度。水平 SFR50 值范围为 0.46 - 0.48 lp/mm，SFR10 值在 1.16 - 1.20 lp/mm 之间；垂直 SFR50 值范围为 0.50 - 0.51 lp/mm，SFR10 值在 1.35 - 1.42 lp/mm 之间。虽然目前的分辨率与临床标准仍有差距，但使用更薄的成像皮肤、优化闪烁体厚度和磷光体浓度等方法，有望提高 e - SFR。
4. 拉伸实验：对 0.5 mm 厚的成像皮肤进行拉伸实验，发现其在 120% 伸长率时破裂。在拉伸过程中，MPV 在不同管电压下呈现不同变化趋势。在较低管电压和小伸长率时，MPV 会有轻微增加；而在 70 kVp 时，MPV 随伸长率增加而线性下降。此外，拉伸还会影响成像皮肤的厚度，进而影响其捕捉辐射的效率。同时，拉伸使水平 e - SFR 有所提高，这可能是由于成像皮肤变薄减少了光散射。
5. 平面成像：研究人员对多种由不同材料制成的物体进行成像，验证了使用基本原型材料制作医学模型的可行性。获得的 X 射线图像质量较高，能够清晰呈现物体的细节，为后续在曲面上的成像研究奠定了基础。
   在研究结论和讨论部分，该研究成功设计了新型可拉伸 X 射线探测器 “成像皮肤”，并通过实验验证了其在 X 射线成像检测系统中的可行性。尽管成像皮肤的最佳设计规格仍有待明确，但 0.5 mm 厚度在保证图像质量和操作便利性之间达到了较好的平衡。拉伸对成像性能的影响也得到了深入研究，为进一步优化探测器性能提供了方向。此外，对不同材料物体的成像结果令人鼓舞，表明该探测器具有广阔的研究前景。未来的研究应聚焦于其在复杂几何形状上的成像性能，解决如 X 射线源与成像皮肤距离、相机对焦等问题，以实现将成像皮肤有效整合到手术中的目标，为医学成像领域带来新的突破，提高手术的精准度和患者的治疗效果。