基于双功能近红外闪烁体的单次激发X射线与近红外双模态融合成像技术及其应用研究

为解决X射线与近红外（NIR）成像模态难以实时融合及信号串扰的问题，研究人员开发了一种基于镱掺杂钙钛矿（Yb-CsPbCl3）闪烁体的双模态成像技术。该技术通过单次X射线激发同步获取X射线与NIR图像，无需额外硬件，并实现了信号解耦。实验表明其可清晰显示人体手掌血管网络及被遮蔽的文本信息，显著提升了成像的互补性与诊断潜力，为医学诊断和工业检测提供了新方案。

　　

在医学诊断和工业检测领域，X射线成像技术因其对高原子序数材料（如骨骼）的高对比度成像能力而被广泛应用。然而，X射线对软组织的分辨能力有限，特别是血管等低密度结构往往难以清晰呈现。近红外（NIR）成像则凭借其深层组织穿透能力和血红蛋白吸收特性，在血管成像中展现出独特优势。尽管两者具备天然的互补性，但实现X射线与NIR成像的有效融合仍面临诸多挑战：传统方法需分别采集图像后再进行配准，过程繁琐且难以保证时空一致性；多波段探测器虽能同步响应X射线和NIR光子，但存在信号叠加无法分离、硬件设计矛盾（如吸收层厚度冲突）以及需额外NIR光源等问题。

为突破这些限制，浙江大学杨杨团队提出了一种创新的双模态成像策略。该研究利用一种兼具X射线激发可见光发射和NIR发射能力的双功能闪烁体，实现了单次X射线曝光下的同步成像与信号解耦。相关成果发表于《Light-Science & Applications》，题为《Single-shot X-ray and near-infrared (NIR) dual-mode fusion imaging based on bifunctional NIR scintillators》。

研究团队通过水相合成法制备了镱掺杂的钙钛矿闪烁体（Yb-CsPbCl₃），其具有显著的980纳米放射发光（RL）特性，暗示可能存在量子剪裁效应。该闪烁体被制成柔性屏幕集成于标准X射线成像系统中，无需改造硬件即可同步捕获X射线模态（骨骼等致密结构）和NIR模态（血管等软组织）图像。此外，通过结合可见光闪烁体（CsCu₂I₃）构建双波段发射体系，实现了X射线与NIR信号的物理分离。

关键技术方法包括：1) 采用水相蒸发结晶法制备Yb-CsPbCl₃微晶粉末，并通过刀涂工艺制成闪烁屏；2) 利用多光谱相机分别采集可见光与NIR通道图像；3) 通过图像减法实现信号解耦；4) 结合电动旋转台和滤波反投影算法开展三维计算机断层成像（CT）实验。

闪烁体制备与表征

研究人员开发了一种环保、可规模化制备的Yb-CsPbCl₃闪烁体。光谱分析显示，未掺杂CsPbCl₃在416纳米处呈现激子发射峰，而Yb掺杂后该峰几乎消失，代之以984纳米的强NIR宽带发射，表明能量从钙钛矿基质高效转移至Yb离子。RL强度测试表明Yb-CsPbCl₃的发光输出比未掺杂样品高数十倍，且响应线性良好，最低检测限达0.1μGy_airs^-1。调制传递函数（MTF）分析显示其空间分辨率达14.1 lp mm^-1，优于CsPbCl₃的9.1 lp mm^-1。辐射稳定性实验中，Yb-CsPbCl₃在连续X射线照射200分钟后仅衰减5.8%，远优于未掺杂样品的14.6%，归因于Yb的4f-4f跃迁对外界扰动不敏感。

双模态成像演示

在手掌模型中，传统X射线成像仅能显示骨骼结构，而双模态成像同时清晰呈现了骨骼（X射线模态）和血管网络（NIR模态）。校园卡实验中，被黑色墨水覆盖的文字在双模态成像中得以显露，而常规X射线仅能显示内部线圈和芯片。工业检测场景中，黑色胶囊内的弹簧（X射线模态）与内部纸张上的“ZJU”标签（NIR模态）在三维CT重建中同时可视化，证明了该技术在复杂结构中的应用潜力。

信号解耦验证

通过混合Yb-CsPbCl₃（NIR发射）和CsCu₂I₃（可见光发射）制备双波段闪烁体，其发射光谱无重叠。实验中将铝鹰图案（X射线敏感）与“ZJU”黑色卡片（NIR敏感）重叠放置，NIR通道图像呈现两者叠加信号，可见光通道仅显示铝鹰。通过图像减法成功分离出纯NIR模态的“ZJU”信号，解决了多波段探测中信号混淆的难题。

光物理机制探究

变温光致发光（PL）测试显示，随着温度从300K降至150K，Yb-CsPbCl₃的NIR区域积分强度增强3.5倍，室温PL量子产率（PLQY）为44.5%，暗示低温下可能超过100%，支持量子剪裁效应。飞秒瞬态吸收（TA）光谱显示Yb-CsPbCl₃在405纳米处的激子漂白恢复速度快于未掺杂样品，表明存在皮秒级能量转移过程，且与激发强度无关，排除了俄歇电子效应。

该研究成功开发了一种基于双功能NIR闪烁体的X射线与NIR融合成像技术，实现了单次曝光下的双模态同步采集与信号解耦。Yb-CsPbCl₃闪烁体表现出高光输出、良好稳定性和量子剪裁特性，在二维及三维成像中均展现出优于传统方法的互补信息获取能力。该技术克服了多模态探测器信号串扰、硬件兼容性差等瓶颈，为医学诊断（如血管与骨骼同步成像）、工业无损检测及文物分析提供了新工具。未来可通过优化闪烁体光管理策略进一步提升分辨率和光输出，结合人工智能算法实现动态实时成像与融合图像解析，推动多模态成像技术在科学及工业领域的革新应用。