什么是光子计数CT？

“近十年来CT影像领域最重大的技术进展。”这是美国食品药品监督管理局（FDA）对她的盛赞。

她成功进入国家药品监督管理总局的创新医疗器械特别审查程序，成为迄今唯一通过审查的全身CT产品。

是谁能让中美权威机构双双给予高度肯定？答案是西门子医疗光子计数CT扫描仪——NAEOTOM Alpha！

《光子计数探测器：概念、技术挑战和临床前瞻》

今天，我们透过西门子医疗的科学家发表的一篇长文综述，来一起详细解读光子计数CT的诞生背景、技术突破和临床价值。

传统CT：现状和瓶颈

随着计算机断层扫描技术的发展与进步，几十年以来，螺旋CT、多排CT和双源CT等新的系统概念不断涌现，使得CT已经发展成为如今放射影像学最重要的检查方式之一。由于传统CT采用的固体闪烁晶体探测器是通过间接转换的方式获得图像（X线→可见光→电信号），因此目前的CT技术仍然面临着一些局限。

技术发展面临瓶颈

探测器单元的最小尺寸受制于切割工艺仍然存在一定的物理极限，从而影响着空间分辨率；

不同的扫描参数（kV等）给CT定量一致性带来挑战；

肥胖患者或超低剂量检查时，过高的图像噪声和CT值漂移也是当前CT设备的另一个缺点；

能谱成像作为临床价值极高的技术之一，仍然无法常规应用到各个部位和人群的检查之中；

临床提出更高要求

高空间分辨率不再以高辐射剂量或小成像视野（FoV）作为代价；

中重度的冠状动脉钙化患者仍然能够通过CT血管造影准确地评估冠脉狭窄严重程度；

肿瘤患者在诊断、随访和疗效评估的每个环节都能获得一致性高、可比的定量参数；

能谱成像可以应用到日常的每一次CT检查中，为每一位病人都提供形态学之外的功能学信息；

未来路在何方....

计算机断层扫描系统在诞生了半个世纪之后，亟需一次颠覆性的技术变革来解决以上面临的诸多挑战。

光子计数CT如何实现突破？

早在20年前，西门子的科学家们就开始了光子计数CT的基础理论研究。随着高速处理电子学的进步，CT探测器在短时间内识别和计数X线光子的成像方式逐渐成为可能。此前，光子计数的概念虽然已经应用于乳房X射线摄影设备和核医学PET系统，但在CT设备中想要实现光子计数的挑战则更大。CT扫描的X线光子计数率最高可达10⁹/mm²/s，而在乳腺机和PET系统中计数率一般低于100/mm²/s，因此光子计数CT对数据处理的速度提出了更高要求。

西门子的科学家们通过多年研究，选择了碲化镉（CdTe）这种新型半导体作为光子计数CT探测器的材料，经过原型机的不断研发和打磨、大规模人体临床试验以及坚实的科研数据作为佐证，最终在2021年成功实现了光子计数CT的产品上市。

空间分辨率的飞跃

传统CT能量积分探测器示意图：a）侧视图，b）俯视图

能量积分探测器由闪烁体先将吸收的X射线转换为可见光，再由光电二极管转换成电流信号。探测器单元间通过反射隔膜（TiO₂）分离开来，以防止可见光的串扰。由于反射层为成像“死区”且存在一定厚度，因此传统CT的几何剂量效率仅有70-80%左右。传统CT为了提升空间分辨率而大幅缩小闪烁体的尺寸，只会进一步降低几何效率——因此，在现有技术下将固态闪烁体探测器的空间分辨率提升到更高水平是不太实际的。

光子计数CT半导体探测器示意图：a）侧视图，b）俯视图

光子计数CT的成像原理则完全不同。X射线在半导体CdTe中会产生电子-空穴对，在探测器阴极和像素化阳极端施加高压（800–1000V）后，电子朝向阳极移动就可以获得电流，从而实现X线的直接转换（X线→电信号）。半导体微电极技术突破了传统探测器的物理工艺极限，像素尺寸只有传统CT的1/16，因此大幅度提升了空间分辨率。此外，由于探测器单元间没有额外的分隔层，X线剂量效率在光子计数CT中也得到成倍提升。

低能光子不再备受“歧视”

探测器响应度-X线能量关系示意图

传统CT的探测器响应度（黑色虚线）在X线能量较低时很小，因此低能光子对于整个信号的贡献程度有限；而光子计数CT的探测器响应度在整个能量范围内都近似恒定（蓝色虚线），所以等同于提升了低能光子的加权比例。低能量的X射线携带了大部分的对比度信息，特别是在使用碘对比剂的CT增强检查中，这种能量加权比例的提升意味着光子计数CT相比于从前，有着更高的密度分辨率和对比噪声比（CNR）。

消除电子噪声

光子计数CT电脉冲信号示意图

电子-空穴对在强电场作用下使得电子朝向阳极移动，电子击中阳极即产生电压脉冲信号，其脉冲高度与入射X线光子的能量成正比，一旦脉冲高度超过提前设定的某个阈值（T0，T1，T2，T3），代表着不同能量的X线光子就会被立即计数。在光子计数探测器中，T0约为20-25 keV，而基线噪声产生的脉冲高度远低于T0，因此不会触发脉冲计数，信号噪声也将被“完美”滤除。即使在极低辐射剂量下或肥胖患者的CT检查中，光子计数CT也将拥有比传统设备更低的图像噪声、更少的条纹伪影和更稳定的CT值，X线的辐射安全问题似乎也找到了一个潜在的突破口。

多能量成像

不同物质衰减和多能量成像示意图

目前传统CT基于双能量成像可以实现最多两种物质的同时鉴别以及定量分析，模拟计算得到碘图、钙图、虚拟平扫、虚拟单能图像等用于临床诊断。而光子计数CT通过设置多个阈值（T0，T1，T2，T3）能够同时读取不同能域的CT数据，这种多能量的成像方式为特异性物质成像和多材料分解提供了可能性。例如同时分离两个不同的对比剂：碘和钆、碘和铋，或其他重元素（钨和纳米金等），从而实现多对比剂同时成像、靶向分子成像。除此之外，通过对不同能量域的优化加权，也可以进一步提高图像的CNR，特别是在增强CT检查中。

临床和科研初探

瑞典林雪平大学医院的研究者们基于光子计数CT的原型机开展了内耳高分辨成像，他们发现光子计数探测器在更低的辐射剂量下仍然能获得更加清晰的镫骨和耳蜗图像¹；美国梅奥诊所的研究者也有类似发现²：相比于能量积分探测器，光子计数CT有着明显更好的骨小梁细节和镫骨轮廓显示、更低的图像噪声（187.2 HU，144.8 HU） 和更低的辐射剂量（46.4 mGy，32.6 mGy）。此外还有很多研究证实，光子计数CT更高的空间分辨率有助于精准的支架术后随访、提升骨骼结构的可视化等³ ⁴。

 能量积分探测器                    光子计数探测器

对于胸部CT成像，2021年北美放射年会（RSNA）中的一篇研究结果发现，光子计数CT即使在超低剂量的情况下，针对低对比度（-630 HU）和高对比度（100 HU）两种不同形状的肺结节模体依然能够保持更准确的定量精度，且图像噪声更低⁵。由于光子计数CT以单一能量下的CT值作为诊断依据，其CT值的漂移更小（尤其在超低剂量下），在不同扫描方案中提供了稳定、可比的定量指标，因此对于提升肿瘤疾病的早期筛查、鉴别诊断和随访及疗效评估过程中的定量一致性极具临床价值*。

梅奥医学中心在RSNA上的另外一篇大会发言介绍了该医院在腹部能量成像上的最新研究成⁶。凭借更高的分辨率和更精准的多能量成像技术，PCCT在物质鉴别和定量精度上相较于以往的能谱成像更具优势*。肾结石的体积定量一方面更加精准，同时非尿酸结石（蓝色）四周存在的尿酸成分（红色）也能够被精准识别。

多对比剂

成像

光子计数CT在使用两个以上的能量箱数据时，可以对多个具有不同K-边界的元素分别进行成像*。美国国家卫生研究院（NIH）Symons等人在犬心肌梗死模型中进行了心脏的双对比剂成像，以同时评估心肌的首过和延迟强化⁷。研究人员发现，联合第一次碘和晚期钆图可以定量分离血池、梗死疤痕和远端心肌。更进一步地，研究者还探索了三种对比剂（铋、碘和钆）在犬模型中同时分解的可能行性。受检者在扫描前一天口服铋，扫描前3-5分钟静脉注射钆对比剂，并在扫描时静脉注射碘对比剂，从而在单期CT扫描中观察肾脏增强的不同阶段（碘-红色，钆-绿色，铋-蓝色）。此类多物质分解研究也为今后CT系统实现特异性物质成像和靶向分子成像创造了无限的可能性。

结语

光子计数CT的诞生在计算机断层扫描的发展历史上具有里程碑式的意义，也是对CT成像的一次重新定义。随着全球首台光子计数CT——NAEOTOM Alpha正式投入临床，研究工作进一步开展，对心脏疾病、恶性肿瘤、呼吸系统疾病等各项疑难杂症的诊疗工作都将出现她的身影。

同时，我们也非常期待未来光子计数CT在落户中国之后，国内的医学工作者们能够探索出更多有价值的临床应用和科研方向，推动中国医学影像事业的发展，造福广大的中国病患。

*该功能尚在研发阶段

参考文献

[1] Flohr T, Petersilka M, Henning A, Ulzheimer S, Ferda J, Schmidt B. Photon-counting CT review. Phys Med. 2020 Nov 26;79:126-136.

[2] Rajendran K, Petersilka M, Henning A, Shanblatt ER, Schmidt B, Flohr TG, Ferrero A, Baffour F, Diehn FE, Yu L, Rajiah P, Fletcher JG, Leng S, McCollough CH. First Clinical Photon-counting Detector CT System: Technical Evaluation. Radiology. 2022 Apr;303(1):130-138.

[3] Leng S, Bruesewitz M, Tao S, Rajendran K, Halaweish AF, Campeau NG, Fletcher JG, McCollough CH. Photon-counting Detector CT: System Design and Clinical Applications of an Emerging Technology. Radiographics, 39(3), 729–743.

[4] Thomsen FSL, Horstmeier S, Niehoff JH, Peña JA, Borggrefe J. Effective Spatial Resolution of Photon Counting CT for Imaging of Trabecular Structures is Superior to Conventional Clinical CT and Similar to High Resolution Peripheral CT. Investigative Radiology. 2022 Mar 21.

[5] RSNA 2021, Accuracy of Nodule Volume Measurement for Lung Cancer Screening on a Photon-counting-detector (PCD) CT Scanner, Mayo clinic.

[6] RSNA 2021, Clinicalapplications of high-resolution photon-counting detector CT for urolithiasis, Mayo clinic.

[7] Symons R, Krauss B, Sahbaee P, Cork TE, Lakshmanan MN, Bluemke DA, Pourmorteza A. Photon-counting CT for simultaneous imaging of multiple contrast agents in the abdomen: An in vivo study. Med Phys. 2017 Oct;44(10):5120-5127.

本文作者为林阳和赵喜同学。