科学家解决X射线内窥成像难题，可穿透人体实时观察肿瘤

近日，华南理工大学博士生章皓与所在团队成功制备出具有 1600 个像素的光纤阵列，这种光纤阵列探测器能够穿透复杂的结构（可直接穿透球体），实现低剂量、高分辨率的 X 射线成像与传像，分辨率极限可以达到 60.7lp/mm。

图 | 相关论文的第一作者章皓（来源：资料图）

研究团队认为，这种集成化的小型远距离高分辨 X 射线成像系统，有望用于人体医学和小型高精尖工业探伤领域。以人体医学为例，当前如需探测人体内的肿瘤，通常需要复杂的大型 X 成像设备，而这种设备无法做到实时地观察肿瘤信息，在手术时一旦离开设备就只能凭借医生经验来判断肿瘤情况。而本次的“内窥镜”式光纤阵列探测器可以辅助医生穿透人体组织实时观察肿瘤内部。

（来源：资料图）

基于此，研究团队认为本次成果也带来了一种有效的观察手段。常规的肿瘤生长观察需要进行生物切片，这意味着很多病理的观察无法做到实时监测观察，而本次“内窥镜”式闪烁体光纤阵列探测器可以容易地植入生物体之内。这一特殊性有望实现诸多的突破，例如在查看放疗化疗对于肿瘤的实时影响时，可以精准地观察肿瘤阻断药物导致肿瘤内血管凋亡的过程，甚至有望实时观察肿瘤如何从小慢慢长大的过程。

概括来说，这种高分辨率、多像素集成设计的光学结构，可被用于制备远程超高分辨率 X 射线成像的光纤阵列。对于光纤阵列探测器来说，它可以深入复杂结构进行远距离成像，从而为 X 射线成像在科研、工业和生物领域的应用提供了新的解决方案。

据了解，虽然玻璃纤维束的制造技术已经成熟，但是此前工艺通常容易导致光学透明度的降低，因此将闪烁晶体引入玻璃纤维具有较高的挑战性。而在这项工作中，研究团队采用了熔淬工艺和热处理方法，成功实现了 Cs3Cu2X5 NCs 在玻璃光纤中的原位析晶，与此同时并不会显著牺牲透明性。再加上可观的量子效率和低传输损耗，最终实现了在 X 射线成像中很难实现的超高空间分辨率。

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解决复杂结构远程高分辨率 X 射线成像难题

据了解，X 射线成像技术在医学诊断、工业检测和安全检查等领域至关重要，然而通常在该领域的研究内容集中在块体单晶和薄膜，这意味着只能进行穿透式的体外成像的模式。而对于狭窄范围内，例如特种机械内部、人体内部等，通常需要加大辐照剂量或者牺牲一定的分辨率。在这种情况下，研究团队旨在设计一种可远距离传输成像“内窥镜”式的 X 射线成像系统，让该系统可以有效进入适配复杂机械结构或深入人体组织内部实施无损 X 射线成像检测。基于这一需求，其需要从材料端出发，设计高效、透明、可集成化加工和远距离传输的闪烁体材料，同时需要从系统端出发设计可远距离传射的光学系统，最终解决复杂结构远程高分辨率 X 射线成像及图像信息传输的关键问题。

为了设计这种可以远距离传输成像“内窥镜”式的 X 射线成像系统的设想，研究团队从材料端出发采用熔融淬火法制备了硼硅酸盐前驱体玻璃，随后将玻璃在玻璃化转变点附近进行热处理，进而诱导 Cs3Cu2X5（X=Cl、Br、I）纳米晶在玻璃基质中进行可控生长。

通过精确调控晶体的尺寸与分布，所得到的 Cs3Cu2X5 纳米晶复合玻璃展现出低光散射、高透过率以及高达 87.02% 的光致发光量子产率。其独特的自陷激子（STE，Self-Trapped Exciton）发射机制有效抑制了初始发射光子的再吸收，显著提升了光传输效率。

进一步地，该团队设计了高效、透明、可集成化加工和远距离传输的 Cs3Cu2X5（X=Cl、Br、I）纳米晶体复合玻璃光纤材料，使得这种玻璃光纤有效继承了单晶材料的透明和高光效的特性，同时突破了单晶材料难以加工的局限性。

更进一步地，研究团队设想将这种光纤通过光学结构设计将其制备成新型闪烁光纤阵列，这种基于光纤结构的设计方案可以有效地将单根光纤设计成为光子像素阵列。这种阵列结构也可以有效地将光纤端面的光强明暗信息以图像形式进行远距离传输，从而实现高分辨成像和远距离信息传输的结合。基于这一设想，研究团队通过二次复拉方法制备出了上述光纤阵列。

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吃晚饭时收到论文接受邮件，多喝几口酒“狠狠庆祝”

相关论文的第一作者章皓对 DeepTech 表示：“这个课题经历了很长时间，课题源起于 2021 年，那时候我刚刚进组，手头有一个读研期间留下来的无自吸收金属卤化物玻璃材料的工作。”进入该课题组之后，他和其他团队成员进行了初步讨论，认为这一材料具有很重要的意义，值得开展进一步的优化和设计。但是，之前的材料制备流程十分复杂，不仅制备过程不稳定，而且成功率非常之低。为此，研究团队从头开始设计玻璃配方，希望摸索出更稳定更简单的材料配方。

复合玻璃是一种复杂且矛盾的材料，它需要将透明的玻璃材料和强发光的晶体进行复合，既需要保留玻璃材料透明度和可加工性的优势，又需要保留晶体优异的发光性能。这也意味着，初步试验需要在透明玻璃基质中进行，并以可控方式原位生长出需要的纳米晶。

因此，在实验初期研究团队尝试了几乎所有的玻璃体系，从硼硅酸盐体系、到磷酸盐体系、到锗酸盐体系、再到碲酸盐体系，最后又回到硼硅酸盐体系。在这一过程中，研究团队几乎总结了所有常见玻璃原料成分对于晶体析晶生长的因素，也正是这一宝贵经验最终让其又回到了硼硅酸盐体系，并进行了彻底的优化，借此解决了卤素挥发、离子氧化、自析晶等问题。而仅仅是这一简单的循环总结工作，就花费了将近两年的时间。

在初步总结和简化配方之后，研究团队开始尝试光纤制备。那时，组里的设备并不是特别齐全，有时候偶尔还需要转三趟地铁去暨南大学方再金教授那里进行光纤拉制。由于在光纤制备初期忽略了一些重要参数，导致在半年多的时间里，无论章皓怎么处理都无法做出透明的可光波导光纤。“后来，我和黄雄键师兄以及董老师讨论之后，终于找到了实验失败的罪魁祸首——折射率。”章皓表示。

对于光纤来说，内层芯层的折射率需要高于包层，但对于具体指标，研究团队在当时并没有什么概念。因此，在材料设计初期，其所设计的包层材料的折射率只高出 0.01。这意味着芯层的光在大芯包比情况下，很难被约束在芯层，因此也就很难实现有效的光波导。在这种情况下，研究团队要么是“做到这里就发论文”，要么是将之前的材料体系推倒重建。

“在和我的导师董老师深入沟通之后，我们还是决定顶住压力继续重来。”章皓表示。屋漏偏逢连夜雨，做出这个决定不久之后，研究团队看到其他团队发表了同一种材料复合玻璃的论文，这给他们带来了很大打击。好在之前摸索材料配方的经验，给予了他们很大帮助，在设计新的材料体系时，其仅仅用了 3 个多月时间，这也给他们带来了莫大的鼓励。2024 年初，研究团队成功制备了具备透明、高亮度、优异光波导特性的光纤。

2024 年一整年，研究团队朝着实验最终目的——将光纤制备成光纤阵列这一目标进发。在复合光纤领域，几乎没有研究者涉足过这一领域，可以参考的经验也只有文献中对于常规石英光纤阵列设计制备的描述。制备过程说起来很简单，就是将数千根甚至上万根光纤按照密堆积的形式进行排列，集合成一根直径仅有 300~500μm 光纤束，但是难点在于每一根光纤仅仅只有 7~8μm，甚至比头发丝都细。“就不说如何进行有效排列，仅仅使用镊子夹起来都要祈祷它不要断掉。”章皓表示。因此，如何实现规则排布是这一阶段的主要难点。

后来，经过查阅诸多文献和多次讨论之后，他和所在团队认为使用二次复拉法有望实现这一目标。具体来说，先将 200~300μm 的粗光纤排列成规则的密排阵列，然后将阵列在高温下二次拉制，等比例缩小其直径，从而实现单根光纤直径仅有 7~8μm 等同于一个像素点。这一实验很快取得了进展，研究团队随后制备出了满足实验要求的光纤阵列。

期间，还发生了一些趣事。比如，研究团队最初制备光纤阵列时很难保持等比例的圆形，非常容易发生畸变。偶然一次，章皓外出时听到有人在交谈中提到正六边形，这让他恍然大悟。回来之后，他将光纤包层设计成为正六边形，借此有效减少了光纤二次拉制的形变，最终成功制备出了所需要的光纤阵列。

章皓回忆称：“研究期间被人抢发论文，我很内疚不知道该怎么和导师交代，隔了一星期平复心情之后才和导师继续讨论下一步；还有第一次成功制备出光纤阵列时激动到手抖以至于把阵列摔碎成好几节，然后加班加点赶实验这种想起来忍不住自己吐槽的时刻。最终收到论文被接收邮件时，我正在和一位朋友吃晚餐，得知这个好消息之后，我忍不住多喝了几口酒狠狠地庆祝。”而在后续，其也将再接再厉，争取解决光纤阵列的柔性问题，并进一步在生物体上进行实验研究。

参考资料：

Zhang, H., Huang, X., Wan, T. et al. Integrated copper-halide activated scintillator fiber array for remote high-resolution X-ray imaging.Nat Commun16, 5973 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61416-7

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