也许这才是更好的光子计数CT

2022

相约第876天

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导语

“匠心”系列第8篇，讨论一定程度上代表未来的光子计数CT方案，以及下一代光子计数或许仍然属于双源和宽体。

2001年，“偏执狂”乔布斯认为市面上MP3都是“垃圾”，立志改变这一切。恰逢此时，东芝开发出1.5英寸容量达5GB硬盘时，他将苹果firewire火线插上东芝硬盘，将容量、传输速度、设计美学统一起来，开发出震惊世界的ipod，实现了其数字音乐的野心。

这件事说明，供应链尤其是核心部件的整合，对实现创意是多么重要。而代表未来的光子计数CT更是如此。

1 下一代CT

光子计数探测技术，公认的下一代X射线成像技术。作为直接X光转换技术，其早已被应用在宇宙射线探测、加速器同步辐射检测等高能物理领域。

随后，也被“有识之士”拓展到医学影像设备上。由于乳腺机、口腔CBCT、SPECT等基于平板探测器的设备率先应用了光子计数探测器，这是因为检测平面成像并不需要复杂排列和特殊算法。比如，万睿视旗下的Ajat光子计数探测器(CdTe)就已应用在NewTom口腔CT上。

BAT望远镜采用CZT光子计数探测器

尽管本世纪初科学家们就提出“下一代CT”概念，即采用光子计数探测器(Photon Counting detector)替换能量积分探测器(Energy integral detector)。不过，2014年梅奥诊所才安装了光子计数器CT原型机，直到现在全球也仅有十数台，因为光子计数CT比我们想象中困难的多：

首先，从探测器材料角度，与稀土陶瓷闪烁体相比，光子计数探测器晶体尤其是大尺寸晶体得生长技术要求极高；

其次，从探测器模块角度，光子计数探测器模块的电路设计与封装需要重新考虑，比如在乳腺机和SPECT中计数率一般低于100/mm²/s，而CT中X线光子计数率则高达10⁹/mm²/s；

再次，从整机集成角度，其重建算法也与传统CT也有本质不同，每次投影数据的获得以及其在数学上的定义都需要重新建立，还包括后续应用算法的重新设计与开发。

因此，目前全球几乎找不到一家完全掌握从材料到算法的全供应链企业。尽管挑战不小，但是其临床价值也是巨大的。

2 群雄并起

毋庸置疑，光子计数CT是所有CT厂商的梦想，他们在半导体材料、元器件方面等领域积极布局。我们曾经说过光子计数CT或许会让CT再次统一，但实际上永远都在“求同存异”，目前主要有三种技术和商业路线：

以西门子医疗为代表的碲化镉路线

日本Acrorad是全球知名的CdTe探测器生产商，覆盖原材料纯化、晶体生长、探测器模块组装等技术。2011年西门子成为其大股东，并通过二者合作，西门子成功商用光子计数CT。

以佳能医疗为代表的碲锌镉路线

加拿大Redlen是全球最先进的碲锌镉(CdZnTe，简称CZT)探测器生产商，覆盖原材料纯化、晶体生长及加工、探测器模块集成等技术，已被广泛应用在医学影像、安检、无损检测等领域。2021年Redlen成为佳能全资子公司，佳能光子计数CT原型机在日本国家癌症中心测试。目前，已有数家从事碲锌镉(CZT)方案光子计数CT研发的企业，包括国内的联影医疗，而佳能医疗走在最前面，遥遥领先，并且已经真正落地。

以GE医疗为代表的硅路线

GE医疗早期也是走CZT路线，后来为加速光子计数CT研发，于2021年收购瑞典的光子计数CT探测器初创企业，改走硅(Si)路线，目前产品也已进入临床试验。

当前三种PCCT方案

与碲化镉(CdTe)/碲锌镉(CZT)相比，硅(Si)路线的优点非常明显：1）制造工艺成熟，且价格便宜；2）比CdTe/CZT更高的载流子迁移率，可以处理更高X射线通量，也不会出现极化和K逃逸问题。

然而，缺点更明显：1）在室温条件下，硅会传导大量热感应电流，与辐射产生的电流混杂，影响探测效率，因此需要在低于室温的条件下工作，不利于临床应用；2）由于其原子序数较低，吸收效率较低，其传感器必须非常厚，同等条件下往往需要几厘米的硅，而只需要几毫米的CdTe/CZT；3）低原子序数代表大部分入射光子是康普顿散射，而不是光电吸收，会降低能量分辨率，从而降低其物质分离能力；更重要的是意味着入射光子在原始相互作用位置沉积了少量能量，并朝着不同的方向移动，原始光子和散射光子的二次相互作用会导致重复计数和空间分辨率损失。

复合化合物半导体的出现解决了上述问题。与单晶材料相比，复合半导体在合成过程中可根据需求选择相应的元素，生长出具有广泛物理特性的材料，使其适用于几乎所有应用，并满足特定条件下探测器的物理性能。更重要的是，与硅相比，其在室温下工作性能稳定更是促进了宽带隙化合物半导体的发展。比如，对于光子计数CT来说，无论从理论还是实践，都更为理想的碲化镉(CdTe)/碲锌镉(CZT)方案。

3 更好的光子计数CT

与单晶硅相比，碲化镉/碲锌镉属于II-VI族化合物，具有高原子序数、高密度以及宽带隙(wide band gap)等特性，其最佳工作射线能量范围几乎覆盖了所有医疗影像、安检、无损检测设备工作时的射线能量，被认为是实现X射线多能谱光子计数技术的最佳材料。

比如，与传统单质探测器相比，CdTe/CZT探测器具有较高的原子序数，决定了其更高的光电吸收效率，而高载流子迁移率与寿命积确保更多的载流子运输至电极而不被中途俘获，使其探测器对60keV 射线的探测效率达到95%以上，远超Si 探测器的10%；在能量分辨率方面，其高电阻率保证了探测器在高工作电压下具有更小的漏电流，意味着更小的噪声。

从性能上，CdTe/CZT几乎一致。相较二者，CZT有更小的密度，但更高的电阻率和禁带宽度，在室温下性能表现更好。比如，我国长期从事CZT探测器研究的介万奇教授，其研制的以CZT晶体为核心的尺寸仅手机大小的γ辐射剂量仪，能探测到“0.18μSv/h”，这是宇宙本底射线的辐射量，可见CZT的灵敏度能达到物理极限。

硅、碲化镉、碲锌镉性能对比

不过，CdTe/CZ生产过程极为复杂，对探测器化学原料、生长过程中的化学纯度、以及完美晶体结构都有极高的要求。因此，生产高质量CdTe/CZT成本极高，限制了其广泛应用。

2008年，Redlen采用THM(移动加热器法)成功生长出直径3英寸的探测器级CZT单晶；随后，Acrorad也采用THM生长出直径4英寸CdTe晶体，至此THM生长商用探测器级CdTe/CZT晶体正式迈入产业化，由此也出现了商用CdTe/CZT医学影像设备。

CdTe制备过程

比如，知名核医学企业Spectrum Dynamics公司的D-SPECT心脏专用机应用了CZT探测器，发展出数字化SPECT成像；还比如，GET推出的Discovery NM/CT 670和NM/CT 870也采用CZT探测器，成功将分辨率提高为原来的数倍，同时大大降低剂量。

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，也就诞生在了光子计数CT。与能量积分CT相比，CdTe/CZT型光子计数CT具有几个明显的优点：

1）更高空间分辨率，对于光子计数CT来说，其探测器阳极尺寸决定了“层厚”，由于不需要闪烁体就没有光横向扩散影响，不用担心串扰，可将探测器像素单元做到更小。比如，根据FDA，NAEOTOM Alpha探测器层厚为0.2mm，远低于传统的0.6mm。

2）消除电子噪声，光子计数CT是基于预设阈值的脉冲数计数，当X射线光子强度信大于预设阈值才进行计数，否则不处理，可以消除暗电流导致的假计数，实现零噪声。因此，也拥有比传统CT更低的图像噪声、更少的条纹伪影和更稳定的CT值。

佳能医疗发表PCCT评价研究，PCCT图像质量明显比传统CT好

3）更低剂量成像，其较大的X射线吸收系数，加上探测器单元间没有额外分隔层，使其几何探测效率更佳，使低剂量成像成为可能；比如，与传统技术相比，CZT探测器能减少80%辐射剂量；  

4）提高密度分辨率，其高灵敏度意味着不再将低能级光子和电子噪声一起抛弃，而低能光子携带了图像对比度信息，有助于提高密度分辨率和对比噪声比，从而有更好软组织分辨能力；

5）更多能量成像，引入独特的能量箱(能级区间)理念，将不同能级X线光子定义在多个能量箱并分别计数，解决了能量积分CT的能量混叠问题，为特异性物质成像和多材料分解提供了可能性。根据目前公开信息，CdTe方案能实现4能量箱，而CZT方案能否带来更高能量分辨率(5-8能级)是非常值得期待的。

CZT方案或可能实现更高能量分辨率

4 宽体光子计数CT的想象

2005年，西门子医疗推出第1台双源CT：SOMATOM Definition，其时间分辨率首次进入100ms。2007年，佳能医疗推出世界第1台16cm 320排宽体CT：Aquilion One，实现单圈全心脏覆盖。这是目前最好的第四代CT解决方案。

2021年，西门子NAEOTOM Alpha获得FDA批准。根据510(K)信息，其仍然是基于双源平台的，这是一款2*288排的双源CT，其他参数和force几乎一模一样。

西门子光子计数CT和能量积分CT对比

目前，双源平台光子计数CT已经确定，那么佳能是否会推出宽体光子计数CT将是非常有趣的话题。

我们知道，尽管已经商用，但大批量制备高质量、低成本碲化镉/碲锌镉仍然非常困难，而Redlen独有的CZT半导体生产工艺克服了困扰其他CZT制造商的成本问题，这或许正是佳能收购其的目的之所在。比如，佳能医疗总裁泷口登志夫表示：“佳能已经开发出320排CT和深度学习重建等多项CT技术，通过将其与Redlen的技术相融合，极大加速了下一代CT开发和批量生产。”

佳能光子计数CT在日本国立癌症研究中心测试

如今，高分辨率成像和深度学习重建已成为CT的重要发展方向，相信随着光子计数技术的加入，相信会形成“光子计数-高清分辨-多能量CT-深度学习”互哺的生态链，下一代CT或将有质的飞跃。而那时， CdTe/CZT方案的PCCT，将真正变成更好的光子计数CT。。。

END