2023年10月16日，光子计数CT NAEOTOMAlpha获得了NMPA的批准，很快将进入临床。光子计数探测器CT扫描或“光子计数CT”与传统CT有明显的技术差异。
今天我们就一块讨论一下光子计数CT的基本原理、技术进展和对临床的影响。
什么是光子计数CT？
光子计数探测器（PCD）首先是CT扫描的一种新的探测器技术。有些人称之为革命性（revolutionary）或开创性（groundbreaking）的技术。
我们先讨论一下传统探测器和新型光子计数探测器及其差异：
为了生成图像，CT系统需要检测由X射线管生成并通过对象（患者）发送的光子（或X射线量子）。该检测由CT探测器执行。
我们想仔细研究的两种探测器技术是：
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能量积分探测器 和 - 光子计数探测器
在第六届中国国际进口博览会（CIIE）上展出的NAEOTOM Alpha
什么是能量积分探测器？
传统的所谓能量积分探测器（EID）目前仍在绝大多数CT扫描系统中使用。
能量积分探测器由一个将入射光子转换为光的闪烁体组成。然后，这些光被光电二极管检测到，光电二极管将其转换为电信号：
在能量积分探测器中从光子到信号的流程图
这两步流程有一些局限性：
- 探测器分辨率：为了防止产生的光散射到相邻的光电二极管上，反射隔膜集成在能量积分探测器中。由此产生的几何形状显著限制了探测器的分辨率。
- 电子噪声：入射X射线量子必须具有足够的能量（>25keV）才能被探测到。所有低于该阈值的光子都会产生电子噪声。该噪声可测量，并且在生成的图像系列中可见。
在第六届中国国际进口博览会（CIIE）上展出的NAEOTOM Alpha
什么是光子计数探测器？
新型光子计数CT系统配备了光子计数探测器。
在设计方面，主要区别在于使用了半导体而不是闪烁体。在这种半导体中，入射光子被直接转换为电信号：
在光子计数探测器中从光子到信号的流程图
因为强电场被施加到半导体上，所以该信号随后通过像素化阳极被转发。
与能量积分探测器相比，该工艺具有几个技术优势，后面我们详细展开。
能量积分探测器和光子计数探测器之间有什么区别？
现在我们讨论了两个CT探测器，让我们把它们放在一起：
闪烁体能量积分探测器（a）和光子计数探测器（B）的简单示意性比较。
正如在示意图中看到的，主要的区别是X射线光子撞击的材料。
在能量积分探测器中，它是一种闪烁体（例如碘化铯、CsI）。在光子计数探测器中，它是一种半导体，如碲化镉（CdTe）或硅。
光子在能量积分探测器的闪烁体中产生光。这种光会散射，必须由光电二极管检测。总的来说，这是一个生成信号的两步过程。
在光子计数探测器中，光子直接在半导体内产生信号（电荷云）。该信号由像素化阳极通过强电场直接传导。
这种直接转换过程带来了许多优点。
在第六届中国国际进口博览会（CIIE）上展出的NAEOTOM Alpha
光子计数CT的技术优势是什么？
总之，与能量积分探测器相比，光子计数探测器有4个主要优点：
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由于探测器像素较小，分辨率更高 -
消除电子噪声 -
改进图像对比度的低能光子等效检测 - 生成固有光谱信息的固有光谱灵敏度
1. 由于探测器像素较小，分辨率更高
在经典的EID-CT技术中，光子首先被转换成光，然后再被转换成电信号。由于产生的光是球形传播的，因此需要反射隔膜的网格来防止相邻探测器元件的错误激活（示意图a）。
一方面，EID-CT中的这些间隔限制了光学分辨率，因为由于必要的间隔，探测器像素的大小受到限制。另一方面，它们也降低了剂量效率，因为被隔膜吸收的量子对图像信号没有贡献。
在光子计数探测器中，将X射线量子直接转换为电信号消除了对这些分离反射隔膜的需要。在这里，入射的X射线量子产生所谓的电子-空穴对。结果释放的电子被强角度电场转移，并在像素化阳极上产生电信号。
这允许明显更小的探测器像素（目前边缘长度达0.2mm），从而获得更高的分辨率。
此外，由于没有隔膜来吸收入射量子，所以剂量效率得到了提高。
2.电子噪声的消除
在EID-CT中，电子噪声由不包含约20-25keV的必要最小能量的X射线量子产生。
这种噪声不可避免地包含在能量加权的累积信号中，随后在从中重建的一系列图像中可见并可测量。噪声被放大，尤其是当许多衰减的量子到达探测器时。例如，低剂量技术或检查高BMI患者时就是这种情况。
在光子计数探测器中，测量每个入射光子的能量。这允许定义精确的阈值（例如25keV），在该阈值以下背景噪声不被考虑并且因此被完全消除。
PCD-CT检测基本原理的动画表示
左边的图像描绘光子到达PCD的表面，而右边的图像展示所产生信号的简化版本。从这张照片中可以学到的一些关键内容包括：光子检测的离散性质、电脉冲的能量依赖高度，以及通过使用足够高的阈值从理论上消除电子噪声影响的能力
通过减少或消除电子噪声，提高了信噪比（SNR）。
结果是可测量且明显更好的图像质量，例如在低剂量采集中。
3.低能光子的等效检测
具有低能量的X射线量子是通过具有高X射线密度的组织（例如骨骼或碘化造影剂）的衰减产生。
在EID-CT中，与高能光子相比，这些低能量子在闪烁体层中产生相对较低的光信号。因此，它们在随后的平均过程中相对贬值，因此在所得信号中所占份额相对较小。
在光子计数探测器中，探测每个入射光子的能量。
结果，具有较低和较高能量光子的光子对图像信号具有能量成比例的贡献。允许使用更宽的X射线能量谱。
在得到的采集图像序列中，这表现为图像对比度提升。
同一位患者相隔1年扫描，具有相同的BMI和相同剂量的碘造影剂。注意使用相同窗中心/窗宽的PCD-CT系统上的碘对比度更亮。
当使用含碘造影剂时，这一点尤其明显，因为碘由于造影血管的高X射线密度而产生量子衰减，尤其是在CTA中。碘的吸收相对较高，具有33.2keV的“K-edge”（X射线吸收的K壳层结合能），因此光子计数探测器的这一优势特别突出，并导致更高的碘对比度和更高的对比噪声比。
4.固有光谱灵敏度
在过去的二十年里，双能CT扫描已经为常规放射学诊断中的各种问题建立起来。
光谱信息是通过特殊的采集技术获得的，该技术允许采集同一物体的多个X射线能谱。通常，获得两个能谱，一个具有较低能量，另一个具有较高能量。然后，该光谱信息可以用于在后处理中生成一系列新图像：
可以进行材料分解，以便在所获得的数据中识别和量如碘和钙。此外，可以根据这些数据计算虚拟单色成像（VMI）系列，这给人一种图像印象，就好像用特定的单管电压（单能或单色）检查了物体一样。从传统意义上讲，X射线由可变的能量谱组成，因此是多能或多色的。
光子计数探测器不仅探测每个入射光子，还测量其能量。因此通过应用某些阈值将量子的单个能量组合成所谓的“能量仓”的内在可用性质。
例如，通过应用在大约20-25keV处消除噪声的阈值和在大约70keV处应用第二阈值，可以将能量组合成两个能级。这允许将所有先前可用的双能量应用，例如材料分解或虚拟单色序列的创建，应用于每个采集的扫描。
因此，当使用光子计数探测器时，不需要特殊的协议或采集技术。由于固有的光谱灵敏度，光谱信息对于每次扫描是固有可用的。
光子计数CT的临床应用是什么-更多信息？
看看前面讨论的四大技术进步，让我们看看如何将其用于临床应用。
需要注意，这仍然是一个非常动态的领域。关于PCD-CT及其临床意义，截止目前已有数百篇文献。
1.光子计数CT的临床应用综述
目前已有多篇临床应用综述，可以参考。
研究发现，与传统的EID-CT相比，PCD-CT成像技术的不断进步提高了诊断能力。PCD CT在早期研究中产生的诊断益处和临床应用使关键解剖结构的可视化和放射科医生对某些诊断任务的信心得以提高，随着PCD CT的发展和临床应用的增长，这一点将继续下去。
PCD-CT有前景的应用包括解剖成像，在解剖成像中，精细的空间分辨率增加了临床价值，以及需要同时具有高空间和/或时间分辨率的多能量数据的应用。PCD-CT技术的未来应用可能包括极高的空间分辨率任务，如乳腺微钙化的检测，以及天然组织类型和新型造影剂的定量成像。
PCD-CT设计的超高空间分辨率允许对所有身体区域进行低剂量扫描，特别有助于识别胸部和肌肉骨骼CT中的重要成像结果。改进的碘信号可能有助于腹部成像中的低对比度任务。虚拟单色图像和材料分类将有助于腹部、肌肉骨骼和心血管成像的许多诊断任务。双源PCD-CT允许高时间分辨率的心脏和冠状动脉的多能量CT图像。
PCD-CT的技术特点特别适合肌肉骨骼成像应用。PCD-CT与传统能量积分探测器（EID）CT相比的优点包括更小的探测器像素和优异的几何剂量效率，这使得能够以超高空间分辨率对大关节和中央骨骼解剖结构进行成像；先进的多能谱后处理，允许量化痛风沉积物并生成用于骨水肿可视化的虚拟去钙图像；用于整形外科植入物成像的改进的金属伪影减少；以及更高的CNR和电子噪声的抑制。在皮质和小梁细节得到显著改善的情况下，PCD CT图像更清楚地描述了骨骼异常，包括骨折、溶解性病变和矿化肿瘤基质。
2.提高光子计数探测器分辨率的临床应用
改进的支架成像光子计数CT PCD-CT探测器更高分辨率
在不同分辨率和重建内核下的非常小（直径2.5mm）的横截面。
A=0.6毫米（Qr40）；B=0.4毫米（Bv60）；C=0.2毫米（Qr72）。
在一项头对头的比较中，PCD-CT在描绘最微小的骨骼细节方面显示出优于EID-CT的客观和主观图像质量特征。即使在SNR匹配的配对中，PCD-CT也是放射科医生的首选。
研究发现，在剂量匹配扫描中，PCD-CT系列显示出比 EID-CT系列明显更小的图像噪声、更高的信噪比和更高的边缘清晰度。人类观察者认为，在PCD-CT中，在比EID-CT低得多的剂量水平下，描绘微小骨骼细节是可行的。在信噪比匹配系列的直接比较中，PCD-CT系列在几乎所有情况下都被认为是优越的。
此外，PCD-CT的UHR采集模式和新型PCD-CT系统上的清晰重建卷积核显著提高了支架内腔的可见性和清晰度，尤其是对于较小尺寸的支架。研究发现，在PCD-CT扫描中使用清晰重建卷积核（Bv60）和超高分辨率模式，支架内管腔的可见性和清晰度显著提高。同时，观察到的支架管腔可见度的改善在较小尺寸的支架中最高。
3.光子计数探测器消除电子噪声的临床应用
腹部低剂量扫描降低了噪声，提高了图像质量。一项研究与在EID-CT上对类似患者进行的扫描相比，在新型PCD-CT上进行的腹部低剂量CT扫描显示出噪声降低、SNR更高、主观图像质量提高以及腹部精细结构的更显著性。
4.光子计数探测器多能谱信息的临床应用
研究发现，与标准EID-CT相比，肿瘤患者的PCD-CT-VMIs显示图像噪声降低，并在低keV值下改善了低血管化肝转移的显著性。尽管CTDI的上调较为温和，但具有较高BMI的患者尤其受益于恒定的图像噪声和保持病变显著性。
PCD-CCTA数据集的VNCPC重建可用于以高精度可靠地评估EAT体积，并且与TNC相比CT值仅存在微小差异。TNC的替代将显著降低患者的辐射剂量。
一项研究发现，无论卷积核选择或VMI设置如何，iMAR都可以显著减少由大量牙科材料引起的金属伪影。
与EID-CT相比，PCD-CT在虚拟单色图像重建中提供了高得多的信噪比和对比度，同时两种扫描仪显示的主观图像质量相当。PCD-CT的造影剂显著减少的可能性很高。
光子计数CT是什么时候首次引入临床的？
简而言之：光子计数CT于2021年初推出。为了更准确地回答这个问题，我们需要再次定义“光子计数探测器CT”。如果你在PCD-CT上搜索出版物，你会发现一些在2021年之前。这些都是在原型系统上进行的。此外，一些双能量成像系统（例如双层CT系统）有时被错误地称为“光子计数CT”。因此，这可能会导致一些混乱（更多内容参见XI区：光子、光谱、能谱、双能量与光子计数）。然而，如上所述，第一个在探测器中使用光子计数半导体的CT系统于2021年推出。
